فهرست مطالب

مهندسی مکانیک امیرکبیر - سال پنجاه و پنجم شماره 3 (خرداد 1402)

مجله مهندسی مکانیک امیرکبیر
سال پنجاه و پنجم شماره 3 (خرداد 1402)

  • تاریخ انتشار: 1402/03/01
  • تعداد عناوین: 6
|
  • مصطفی هادی دولابی، مهدی هاشم آبادی*، رضا جمشیدی صفحات 285-302
    در این تحقیق یک روش عددی بدون شبکه برای حل جریان های داخلی و متقارن محور توسعه داده شده است.در این روش از حداقل مربعات سری تیلور برای گسسته سازی مکانی و از روش چند مرحله ای صریح رانگ کوتا برای گسسته سازی زمانی استفاد ه شده است. در الگوریتم حاکم بر این کد از معادلات اویلر دوبعدی و متقارن محور با استفاده از ترم های اتلافات مصنوعی مرتبه دو و چهار برای حل جریان استفاده شده است.جهت مدل سازی شرایط مرزی از مرزهای ورودی و خروجی مادون صوت، مافوق صوت و مرز دیواره به تناسب مساله استفاده شده است.جهت اعتبارسنجی نتایج حاصل از کد، جریان غیر لزج درون یک نازل دوبعدی و همچنین جریان مافوق صوت داخل کانال به همراه برآمدگی مورد تحلیل قرار گرفته و نتایج با داده های معتبر مقایسه شده است. همچنین توانایی کد در تسخیر شوک عمودی در جریان داخل نازل دوبعدی و تقارن محور ارایه شده است.در نهایت نیز شبیه سازی جریان پایا درون یک نازل همگرا-واگرا متقارن محور ماوراءصوت با ماخ خروجی 5 انجام شده است تا دقت حل کد عددی در سرعت ماوراءصوت نیز سنجیده شود.نتایج نشان می دهد کد توسعه داده شده با دقت بسیار خوبی قادر به شبیه سازی جریان های داخلی پایا و متقارن محور است. روند همگرایی کد نیز ارایه شده است که نشان از همگرایی مناسب کد عددی دارد.زمان تحلیل برای تسخیر شوک در نازل دوبعدی تقارن محور نسبت به نرم افزار فلوینت حدود 64 درصد سریع تر است.
    کلیدواژگان: روش بدون شبکه، جریان داخلی، متقارن محور، حل عددی، جریان غیرلزج
  • رامین حاجیان* صفحات 303-336
    در این مقاله برای اولین بار استفاده از لوله گرمایی به منظور بهبود رطوبت زدایی در هواساز در شرایط اقلیمی گرم و مرطوب ایران مورد مطالعه فنی و اقتصادی قرار گرفته است. در این راستا دو نوع ساختمان یکی با 100% هوای تازه و دیگری 25% هوای تازه در نظر گرفته شده است. محاسبات همزمان کویل سرمایشی انبساط مستقیم و مبدل حرارتی لوله گرمایی ارایه شده و نتایج آن با نتایج نرم افزار یک شرکت معتبر سازنده مبادله کن حرارتی لوله گرمایی مقایسه و اعتبارسنجی شده است. همچنین محاسبات مربوط به عملکرد هواساز مجهز به لوله گرمایی با هواساز مرسوم مقایسه شده است. بر اساس نتایج محاسبات صرفه جویی انرژی، استفاده از WAHP در هواساز دارای 25% هوای تازه، موجب کاهش 25% مصرف برق می شود در حالیکه در هواساز دارای 100% هوای تازه 5% مصرف برق کاهش می یابد. در محاسبات اقتصادی، دو سناریو در نظر گرفته شده است؛ اینکه لوله گرمایی به عنوانی جزیی از هواساز جدید در کارخانه نصب شود و یا اینکه لوله گرمایی بر روی هواساز موجود و در حال بهره برداری نصب شود. بر اساس نتایج، فارغ از مساله صرفه جویی انرژی، هواساز جدید مجهز به لوله گرمایی بیش از 20% ارزانتر از هواساز مرسوم است. بهای انرژی از دو دیدگاه در نظر گرفته شده است: دیدگاه مصرف کننده و دیدگاه حاکمیتی. در یکی از سناریوها نرخ بازگشت داخلی از دیدگاه حاکمیتی 45% بوده و دوره بازگشت سرمایه حدود 5 سال است.
    کلیدواژگان: لوله گرمایی، رطوبت زدایی، هواساز، امکان سنجی، مبدل حرارتی
  • سعید خادمی، مجید بازارگان* صفحات 337-358
    آرایه جت های برخوردی قادر به افزایش انتقال حرارت در سراسر سطح برخورد هستند. یکی از چالش های اساسی در این روش، دشواری تامین توزیع یکنواخت گرما روی صفحه هدف است. پژوهش عددی کنونی، تاثیر خصوصیات صفحه متخلخل در بستر کانال جریان را بر یکنواختی توزیع گرما روی سطح برخورد جت ها بررسی می کند. پارامترهای مورد مطالعه شامل تخلخل، نفوذپذیری و ضخامت لایه متخلخل است. ضریب ارزیابی عملکرد برای در نظر گرفتن همزمان مقدار انتقال حرارت و میزان یکنواختی توزیع آن روی صفحه ی هدف پیشنهاد شده است. نتایج نشان می دهند در میان انواع سناریوهای مطالعه شده، پایین ترین ضریب عملکرد کلی انتقال حرارت برابر 0/1370 و مربوط به موردی است که لایه متخلخل به طور کامل بستر کانال را پوشش داده و ضرایب نفوذپذیری و تخلخل هر دو در کمترین مقدار خود به ترتیب 12-10×1/76=k و 2/0=ԑ هستند. با این حال هنگامی که ضخامت لایه متخلخل نیمی از عمق کانال را در بر می گیرد و ضرایب تخلخل و نفوذپذیری محیط متخلخل به ترتیب در بالاترین (8/0=ԑ) و پایین ترین (12-10×1/76=k) مقادیر خود هستند، بهترین عملکرد کلی انتقال گرما معادل با مقدار 23/45 فراهم می شود. این پژوهش نشان می دهد به کارگیری چیدمان مختلف برای محیط متخلخل می تواند روشی موثر برای تامین توزیع یکنواخت تر گرما با حفظ نرخ انتقال حرارت بالا در جریان جت های برخوردی چندگانه باشد.
    کلیدواژگان: آرایه جت برخوردی، ضریب عملکرد انتقال حرارت، یکنواختی انتقال حرارت، محیط متخلخل، بررسی پارامتری
  • محمدمهدی برزگری*، امیرحسین پهنابی صفحات 359-380

    پیل سوختی نوعی مبدل انرژی الکتروشیمیایی است که انرژی شیمیایی ذخیره شده در سوخت را به انرژی الکتریکی تبدیل می نماید. ساختار غیرخطی، دینامیک متغیر با زمان و پارامترهای فیزیکی نامعین از چالش های کار با پیل های سوختی پلیمری می باشد. در این مقاله، مدلسازی جعبه خاکستری و شناسایی سیستم پیل سوختی پلیمری هیدروژن-اکسیژن سه سلولی انتها باز با رطوبت زن یکپارچه مورد بررسی قرار گرفته است. در ابتدا، مدلسازی صفر بعدی غیرخطی سیالاتی، ترمودینامیکی و الکتروشیمیایی پیل سوختی انجام شده است. مدل پیل سوختی ارایه شده در این پژوهش از نوع چند ورودی-یک خروجی می باشد. در ادامه، پارامترهای ثابت پیل سوختی مورد مطالعه با استفاده از روش شناسایی پارامتر تعیین گردید. فرآیند شناسایی سیستم بر اساس کمینه سازی خطای پیش بینی، به روش ناحیه های صحیح انعکاسی نیوتن انجام شده است. پیل سوختی مورد نظر تحت شرایط مختلف دمای سری، فشار ورودی گازهای واکنش دهنده و جریان سری مورد آزمون قرار گرفت و 329420 داده آزمایشگاهی بدست آمده است که با توجه به شرایط آزمایش دسته بندی داده ها به 189 حالت مختلف صورت پذیرفت. نتایج نشان می دهد که میانگین خطای ولتاژ مدل پیل سوختی شناسایی شده در مقایسه با داده های آزمایشگاهی برابر با 03/1 درصد می باشد. همچنین، همبستگی میان ولتاژ پیل سوختی و پارامترهای مدل شناسایی شده بررسی و تحلیل شده است که نتایج نشان داد که همبستگی ولتاژ پیل سوختی به مقاومت تماسی معادل هدایت الکترون بیشتر از ضرایب اریفیس ها می باشد.

    کلیدواژگان: پیل سوختی پلیمری، شناسایی پارامتر، مدلسازی جعبه خاکستری، رطوبت زن یکپارچه، داده آزمایشگاهی
  • حمیدرضا غیاثی شهرکی، محمود نوروزی*، علی عباس نژاد، پوریا اکبرزاده صفحات 381-406
    یکی از ویژگی منحصربه فرد سیالات ویسکوالاستیک در جریان های برشی ناپایای، رفتار نوسانی میرا شونده در میدان سرعت بدون اعمال نوسان و نیروی خارجی است؛ عامل به وجود آورنده این ویژگی خاصیت الاستیک این سیالات است. در مقاله حاضر، برای اولین بار از روش پیش شرط توانی حسگر محلی تنش برای پایداری حل عددی جریان های ناپایای سیال ویسکوالاستیک در حال عبور از بین دو صفحه موازی ثابت استفاده می شود. برای شبیه سازی حاضر، از مدل ماکسول ساده استفاده شده است. در این روش با افزودن جمله مشتق زمانی کاذب به معادلات حاکم، شکل معادلات هذلولوی (تراکم پذیر مصنوعی) می شود. با به دست آوردن ماتریس پیش شرط این معادلات که از رابطه توانی میدان تنش به صورت محلی تصحیح می شود، با استفاده از یک الگوریتم دوزمانه که شامل حلقه داخلی و خارجی است، حل معادلات جریان ناپایای تراکم ناپذیر به صورت تراکم پذیری مصنوعی امکان پذیر می شود. جهت همگرایی حلقه داخلی ، از روش عددی وثوقی فر چهارمرحله ای استفاده می شود. جهت گسسته سازی معادلات از روش تفاضل محدود و شبکه جابجا شده استفاده شده است. محاسبات جریان های ناپایای سیال ویسکوالاستیک برای اعداد رینولدز، اعداد وایزنبرگ و مقادیر نسبت لزجت مختلف ارایه شده است. نتایج به دست آماده دارای انطباق مناسبی با نتایج عددی دارد. نتایج نرخ همگرایی نشان می دهد که روش پیش شرط توانی حسگر محلی تنش برای نسبت لزجت کمتر از 5/0 دارای پایداری زیاد، افزایش سرعت همگرایی و کاهش هزینه زمانی محاسبات می شود.
    کلیدواژگان: روش پیش شرط توانی، حسگر تنش، الگوریتم ضمنی دوزمانه، جریان ناپایای سیال ویسکوالاستیک، سرعت همگرایی
  • امیرحمزه فرج الهی*، محسن رستمی، محمدرضا هاشمی نسب، مجتبی لک، افشین شجاعیان صفحات 407-430
    در پژوهش حاضر به مطالعه تاثیر شرایط عملکردی مختلف بر راندمان یک پهپاد با پیشرانش پیل سوختی غشای پلیمری با استفاده از روش طراحی آزمایش پرداخته شده است.بدین منظور ضمن طراحی یک سیکل ترمودینامیکی بر مبنای مطالعات گذشته،استک پیل سوختی مفروض به صورت صفربعدی شبیه سازی و مدل عددی اعتبارسنجی شده است.در ادامه معادلات ترمودینامیکی حاکم برای کلیه اجزای سیکل نوشته شده و راندمان استک پیل سوختی و سیستم محاسبه گردیده است.به منظور بررسی تاثیر شرایط عملیاتی مختلف بر راندمان پیل سوختی و سیستم و بهینه سازی، روش رویه پاسخ و طرح مرکب مرکزی مورد استفاده قرار گرفته است. بدین منظور ارتفاع عملیاتی، فشار کاری و نرخ استوکیومتری کاتد به عنوان پارامترهای مستقل ورودی و راندمان استک پیل سوختی و کل سیکل ترمودینامیکی به عنوان پاسخ درنظر گرفته شده اند. نتایج این مطالعه نشان می دهد که افزایش فشار کاری سبب افزایش راندمان استک پیل سوختی و سیکل به ترتیب به میزان٪5/3 و ٪5/14 می شود. از سوی دیگر هرچند افزایش استوکیومتری کاتد بهبود عملکرد پیل سوختی را درپی دارد،اما سبب کاهش شدید (حداکثر ٪6/30) راندمان سیکل می گردد. بررسی تاثیر ارتفاع عملیاتی بیانگر این نتیجه است که اثرات افزایش ارتفاع برراندمان پیل سوختی قابل صرفنظر است، اما با افزایش ارتفاع عملیاتی راندمان سیکل بیش از ٪30 کاهش می یابد برمبنای نتایج این مطالعه در هر ارتفاع عملیاتی برای یک پهپاد،بیشترین راندمان زمانی حاصل می شود که فشار کاری در کران بالا و نرخ استوکیومتری کاتد در کران پایین قرار گیرند.
    کلیدواژگان: پیل سوختی غشای پلیمری، هواپیمای بدون سرنشین، ارتفاع پرواز، طراحی آزمایش، روش رویه پاسخ
|
  • Mostafa Hadidoolabi, Mahdi Hashemabadi *, Reza Jamshidi Pages 285-302
    In this research, a meshless method has been developed to solve internal and axi-symmetric flows. In this method, the least squares of the Taylor series are used for spatial discretization and explicit multi-step Runge-Kutta method is used for temporal discretization. Governing equations are based on two-dimensional and axi-symmetric Euler equations. The second and forth order dissipation are used to solve the flows. In order to model boundary condition, subsonic and supersonic inlet and outlet boundary conditions as well as the wall boundary have been used according to the problem. To validate the results of the code, the inviscid flow inside a two-dimensional nozzle and the supersonic flow inside the channel along with bump have been simulated and the results have been compared with valid data. Also, the ability of the code to shock capturing in the two-dimensional and axi-symmetrical nozzle is presented. Finally, the simulation of the steady flow inside a axi-symmetric convergent-divergent supersonic nozzle with Mach 5 in outlet has been done to measure the accuracy of solving the numerical code at hypersonic speed. The results show that the developed code can simulate steady internal and axi-symmetric flows with very good accuracy. The code convergence process is also presented, which shows appropriate convergence of the developed code. The analysis time for shock capturing in the axisymmetric nozzle is about 64% faster than the Fluent-software.
    Keywords: Meshless Method, Internal Flow, axi-symmetric flow, numerical method, Inviscid Flow
  • Ramin Hajian * Pages 303-336
    In this article, application of heat pipe to improve dehumidification in air-handling units (AHU) used in hot and humid climate conditions of north of Iran is studied. Coupled calculations of direct expansion (DX) coil and wrap around heat pipe (WAHP) heat exchanger are presented. Two types of buildings, i.e. with 100% and 25% fresh air are considered. Performance of AHU equipped with WAHP is compared with that of conventional AHU. The calculation results are compared and validated with outputs of an online software of a reputable WAHP manufacturer. For economic analyses, two scenarios are considered; first, WAHP is installed as a part of a brand new AHU in the factory or, second, WAHP is installed as a retrofit on an existing and operating AHU. Results show that 5% and 25% of electricity savings are obtained by using WAHP on AHU of buildings with 100% and 25% fresh air, respectively. Also, apart from the energy saving issue, the brand new AHU equipped with WAHP is more than 20% cheaper than the conventional AHU. For energy tariffs, two perspectives are considered: the consumer perspective (including significant subsidies) and the governmental perspective (including no subsidy). From a governmental perspective, adding a WAHP to the existing and operating AHU is profitable. For example, in a scenario, an IRR of 45% and a 5 years investment return was obtained.
    Keywords: Heat Pipe, air-handling unit, Dehumidification, feasibility, heat exchanger
  • Saeed Khademi, Majid Bazargan * Pages 337-358
    The impinging jet array is capable of enhancing heat transfer rates over the impinging surface. A sever challenge of such cooling method is that it does not transfer the heat across the target plate as uniformly as required in many applications. The main objective of the current numerical research is to study the effects of covering the impingement surface by a porous layer in order to increase the heat uniformity throughout the surface without losing the advantage of high heat transfer rates in a multiple impinging jet flow. The porosity, permeability and thickness of the porous layer are considered. The standard deviation of local Nusselt numbers compared to the average value is used as a measure to evaluate the uniformity of heat transfer along the plate. A performance evaluation factor is proposed to simultaneously account for uniformity as well as total rate of heat transfer. The results show that lowest evaluation factor of 0.137 is obtained once the flow channel is fully covered by the porous medium and the permeability and porosity are at their lowest values of k=1.76*10-12 and ԑ=0.2, respectively. The highest heat transfer performance is obtained for the case when the channel is half filled with the porous layer and the coefficient of permeability and porosity are at their lowest (k=1.76*10-12) and highest (ԑ=0.8) levels, respectively.
    Keywords: multiple impinging jet, heat transfer performance coefficient, heat transfer uniformity, Porous Media, Parametric Study
  • MohammadMahdi Barzegari *, Amirhossein Pahnabi Pages 359-380

    Fuel cell is a type of electrochemical energy converter that converts chemical energy stored in fuel into electrical energy. Nonlinear structure, time-varying dynamics and uncertain physical parameters are the challenges of working with polymer electrolyte membrane (PEM) fuel cells. In this paper, grey-box modeling and system identification of flow-through H2/O2 PEM fuel cell with three cells and integrated humidifier is investigated. First, zero-dimensional nonlinear fluidic, thermodynamic and electrochemical modeling of PEM fuel cell is performed. The fuel cell model presented in this research is Multi-Input-Single-Output type. In the following, constant parameters of the studied fuel cell are determined. The system identification process as a multi-input-single-output system is done based on the Prediction-Error minimization, using the method of Trust-Region Reflective Newton. Finally, validation of the obtained model is done with experimental data that not used in modeling. The considered PEM fuel cell was tested under different conditions of temperature, reactant gas inlet pressure and stack current, and 329,420 experimental data were obtained. According to test conditions, data was classified into 189 different modes. The results show that the average voltage error of the identified model compared to the experimental data is equal to 1.03%. Moreover, the correlation between voltage and identified model parameters has been investigated, and the results showed that correlation between voltage and the contact resistance equivalent is higher than coefficients of orifices.

    Keywords: Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, Parameter identification, Grey-box modeling, Integrated humidifier, Experimental data
  • Hamidreza Ghiyasi Shahraky, Mahmood Norouzi *, Ali Abbas Nejad, Pooria Akbarzadeh Pages 381-406
    One of the unique features of viscoelastic fluids in unsteady flows is the damping oscillatory behavior without using oscillation and external force, the cause of this is the elastic feature of these fluids. In this essay, the power-law preconditioning method of local stress sensors is used for the first time, to solve the numerical solutions of unsteady flows of viscoelastic fluid while passing through two fixed parallel planes. The Maxwell's equations have been used for this simulation. In this method, by adding a false time derivative to the governing equations, the formation of equations become hyperbola (artificial compressibility). By acquiring the preconditioning matrix of these equations that are corrected from the relationship between stress fields, solving unsteady incompressible flow equations as artificial compressible, is possible when using a dual-time algorithm that contains inner and external cordon. For convergence of inner cordon , Vossougi Far’s four-step numerical method is used. For discretization of equations, the first-order finite difference and second-order finite difference are used. The calculations of unsteady flows of viscoelastic fluid for Reynolds numbers, Weissenberg numbers and various passive viscosity ratio, are presented. These results are similar to numerical results. The convergence rate results show that the power-law preconditioned method of local stress sensor for a viscosity ratio of less than 0.5 for high stability, increase the convergence speed and reduce the cost of calculations.
    Keywords: Power-law preconditioning method, Stress sensor, Dual-time implicit algorithm, Unsteady flow of the viscoelastic fluid, Convergence rate
  • Amirhamzeh Farajollahi *, Mohsen Rostami, Mohammareza Hasheminasab, Mojtaba Lak, Afshin Shojaian Pages 407-430
    In this research, the effect of various operating conditions on the performance of an Unmanned Aerial Vehicle (UAV) with a PEMFC propulsion system is surveyed using a statistical approach, namely the Design of Experiment technique (DOE). This process starts by designing a thermodynamic cycle for UAV based on the literature review. Then, a zero-dimensional model is established to simulate the PEMFC’s performance. After validating the developed model for PEMFC, mass and energy balance equations are employed for all components of the thermodynamic cycle to calculate the efficiency of PEMFC and the system simultaneously. Afterward, the Response Surface Method (RSM) is used to design appropriate tests to study the influence of independent variables, i.e., altitude, operating pressure, and cathode stoichiometry, on the efficiency of PEMFC and system. Results indicate that increasing operating pressure improves the efficiency parameter for both the PEMFC and the system 3.5% and 14.5% respectively. Although increasing cathode stoichiometry augments the PEMFC efficiency, it plummets the system efficiency up to 30.6%. In addition, the influence of operating altitude on the PEMFC efficiency is negligible, while it causes a substantial decline in the system efficiency (more than 30%). As proved, at any desired operating altitude, maximum efficiency for the system obtains when the operating pressure and cathode stoichiometry are set at their maximum and minimum bound, respectively.
    Keywords: PEM fuel cell (PEMFC), Unmanned Aerial Vehicle (UAV), Operating altitude, Design of Experiment (DOE), Response Surface Method (RSM)