فهرست مطالب

مجله مهندسی مکانیک امیرکبیر
سال پنجاه و پنجم شماره 5 (امرداد 1402)

  • تاریخ انتشار: 1402/05/01
  • تعداد عناوین: 6
|
  • جلال قاسمی*، شیرزاد صدری صفحات 557-576

    این تحقیق به تحلیل فرآیند سوراخکاری در استخوان فمور انسان به منظور تعیین ضریب انتقال حرارت جابجایی و بررسی بروز و یا عدم بروز نکروز حرارتی پرداخته است. شبیه سازی سه بعدی سوراخکاری در دو حالت جابجایی طبیعی با هوا و جابجایی اجباری با نرمال سالین انجام و تحلیل برای سه نرخ پیشروی 50، 100 و 150mm/minدر سه سرعت دورانی 500، 1000 و 2000rpm مته صورت پذیرفته است. نتایج نشان می دهد که در حالت خنک کاری طبیعی، بیشترین حرارت تولیدی برابر با 4J در نرخ پیشروی 50mm/min و سرعت دورانی 500rpm و کمترین مقدار آن 1/65J در نرخ پیشروی 150mm/min و سرعت دورانی 2000rpm می باشد. حداکثر اختلاف ضریب انتقال حرارت جابجایی میانگین در مقایسه با نتایج تجربی 12/5درصد است که نشان از دقت خوب نتایج حاضر دارد. همچنین نتایج در این حالت نشان می دهد که ضریب انتقال حرارت جابجایی متوسط در نرخ های پیشروی 100 و 150mm/min به ترتیب ٪55 و ٪29/1 بیشتر و در 50mm/min به میزان ٪5 کمتر از مقدار ثابت 20w/m2.k است که در تحقیقات قبلی در نظر گرفته شده است. در تمامی شرایط سوراخکاری در خنک کاری طبیعی نکروز حرارتی بروز می دهد. در حالت خنک کاری اجباری با نرمال سالین بیشترین ضریب انتقال حرارت جابه جایی میانگین در نرخ پیشروی 150mm/min در سرعت دورانی 2000rpm که برابر با 3650w/m2.k بدست آمده و در تمامی شرایط سوراخکاری دمای استخوان از دمایی که باعث نکروز حرارتی می شود، کمتر است.

    کلیدواژگان: سوراخکاری استخوان، استخوان فمور، سیال خنک کننده نرمال سالین، نکروز حرارتی، استخوان کورتیکال
  • مهدی هاشم آبادی*، رامین حاجیان، جاماسب پیرکندی، شبنم منصوری، سید علی صدرواقفی صفحات 577-594

    تحقیق حاضر به بررسی تجربی و مقایسه کندانسور میکروکانال و پره- لوله در یک چرخه تبرید می پردازد. هدف این پژوهش این است که براساس آزمایش های تجربی، اثر نوع کندانسور، بر ضریب علمکرد دستگاه داکت اسپلیت با ظرفیت سرمایشی 2.5 تن تبرید مورد بررسی قرار گیرد. برای این منظور از دو کندانسور میکروکانال و پره-لوله در یک چرخه تبرید استفاده شده است که دارای مبرد R407c است. به غیر از کندانسور، مابقی مولفه های چرخه تبرید از قبیل فن، کمپرسور، شیر انبساط، اواپراتور و... در هر دو چرخه تبرید یکسان در نظر گرفته شده است. برای بررسی ضریب عملکرد، توان کمپرسور، توان برودتی اواپراتور، توان گرمایی کندانسور، نمودار دما-آنتروپی (T-s) و همچنین تاثیر نوع کندانسور بر ضریب عملکرد سیکل تبرید در سه سرعت مختلف هوای عبوری از کندانسور مورد ارزیابی قرار گرفته است. تغییر سرعت هوای عبوری از کندانسور با تغییر سرعت فن کندانسور حاصل می شود. برای این منظور شش آزمایش مختلف انجام شده است که برای اطمینان از نتایج، هر آزمایش سه بار تکرار شده است. نتایج نشان می دهد استفاده از کندانسور میکروکانال ها در شرایط یکسان و با 700 گرم شارژ مبرد کمتر در کل چرخه تبرید، حدود 4 % ضریب عملکرد را نسبت به سیستمی که کندانسور پره-لوله دارد، افزایش می دهد.

    کلیدواژگان: چرخه تبرید تراکمی، کندانسور میکروکانال، کندانسور پره-لوله، ضریب عملکرد، مبرد R407c
  • فرهاد رضوان نژاد، جواد رستمی* صفحات 595-616
    امروزه استفاده از نانوسیالات در میکروکانال ها برای خنک کاری قطعات میکروالکترونیکی کاربرد زیادی دارد. در این مطالعه، جریان و انتقال حرارت نانوسیال در یک میکروکانال همگرا و واگرا بررسی شده است. معادلات حاکم به روش المان محدود و مدل مخلوط دوفازی در نرم افزار کامسول مولتی فیزیکس حل شده اند. نتایج این شبیه سازی برای اعداد رینولدز (100-700) و غلظت های مختلف نانوذرات (02-0/0) برای دو میکروکانال واگرا و همگرا با شیب های مختلف (0 تا 05/0) به دست آمده است. همچنین، اثر دو نانوسیال مختلف آب-مس و اتیلن گلیکول-مس در شبیه سازی ها در نظر گرفته شده است. قطر نانوذرات برابر با 50 نانومتر و عرض متوسط میکروکانال ها 50 میکرون است. نتایج شامل عدد ناسلت و ضریب عملکرد برای حالات مختلف به دست آمده است. برای نانوسیال آب - مس با کسر حجمی 1 درصد در میکروکانال همگرا با شیب 3درصد و رینولدز 100 نسبت به میکروکانال تخت برای میکروکانال همگرا حدود 6/1 برابر و برای میکروکانال واگرا 1/1 برابر افزایش می یابد. در این حالت ضریب عملکرد برای میکروکانال همگرا و واگرا به ترتیب 37/1 و 74/1 است. در همین شرایط برای نانوسیال اتیلن گلیکول - مس عدد ناسلت برای میکروکانال همگرا نسبت به میکروکانال تخت 22/1 برابر و برای واگرا 13/1 برابر می شود. در این حالت نیز ضریب عملکرد برای میکروکانال همگرا و واگرا به ترتیب 17/1 و 4/1 است.
    کلیدواژگان: نانوسیال، میکروکانال همگرا، میکروکانال واگرا، روش دوفازی ترکیبی
  • مهدی باقریان دهقی، مهرزاد شمس*، پژمان نادری صفحات 617-642
    با توجه به کاربردهای گسترده و گوناگون الکترواسپری در جنبه های مختلف زندگی انسان ها، این موضوع همواره مورد توجه محققان بوده است. در این مقاله، به بررسی تجربی فرآیند الکترواسپری برای مخلوط اتانول-آب با سه غلظت مختلف %70، %96 و %9/99 پرداخته شده است. در این مقاله، ابتدا مودهای مختلف الکترواسپری برای اتانول %70، براساس تصاویر پرسرعت گرفته شده؛ تعریف و توضیح داده شده اند. در قسمت دوم مقاله، به محاسبه دقیق زاویه مخروط و قطر جت مخروط تیلور برای ابتدا و انتهای ناحیه پایدار الکترواسپری مخلوط اتانول-آب برای سه غلظت %70، %96 و %9/99، پرداخته شده است. برای این منظور، از تصویربرداری پرسرعت و پردازش تصاویر حاصل از آن استفاده شده است. درنهایت، زاویه مخروط و قطر جت خروجی از مخروط برای این سه سیال برای تمامی نقاط شروع و پایان ناحیه پایدار الکترواسپری در دبی های 1/0 تا 1 میلی لیتر بر ساعت محاسبه شده است. میانگین قطر جت برای تمامی نقاط ناحیه پایدار برای سیالات اتانول %70، %96 و %9/99، به ترتیب برابر 43/34، 78/33 و 70/31 میکرون می باشد. علاوه بر این، میانگین زاویه مخروط برای تمام نقاط ناحیه پایدار نیز برای سیالات اتانول %70، %96 و %9/99، به ترتیب برابر 26°/87، 80°/85 و 13°/84 می باشد. درنهایتبنابراین، بیش ترین مقادیر زاویه مخروط و قطر جت مربوط به اتانول %70 و کم ترین آن مربوط به اتانول %9/99 می باشند.
    کلیدواژگان: قطر جت، زاویه مخروط، ناحیه پایدار، مخلوط اتانول-آب، الکترواسپری
  • روزبه عابدینی نسب*، سجاد بهرامی صفحات 643-658
    یکی از اهداف مهم در حوزه آزمایشگاه بر روی تراشه، انتقال ریزذرات میکرومتری و سلول ها بر روی تراشه های ریزسیالی است. استفاده از نیروهای مغناطیسی با امکان کنترل از راه دور حرکت ذرات، از مناسب ترین روش ها در این زمینه است. به تازگی، با الهام از مدارهای الکترونیکی و به منظور انتقال کنترل شده ذرات بر روی تراشه در یک میدان مغناطیسی سه بعدی، مدارهای جنبش مغناطیسی معرفی شده اند که مبتنی بر فیلم نازک مغناطیسی با طرح TI هستند. اما تا به امروز در این مدارها از خازن به منظور ذخیره سازی ذرات منتقل شده استفاده نشده است. در این پژوهش، خازن های مدارهای جنبش مغناطیسی مبتنی بر طرح TI پیشنهاد شده و مشخصه یابی می شود. عملکرد خازن معرفی شده برای ذخیره سازی ذرات با قطرهای مختلف در میدان های مغناطیسی دوار با فرکانس های مختلف بررسی می شود. در این راستا، از روش های اجزاء محدود برای شبیه سازی توزیع انرژی پتانسیل مغناطیسی حاصل از فیلم نازک مغناطیسی استفاده می شود. همچنین، حرکت ذرات در محیط سیال، با در نظر گرفتن نیروی پسا با روش شبه تحلیلی و تحلیل تصادفی مطالعه شده و اعتبار نتایج با آزمایش های تجربی تایید می گردد. در فرکانس کاری 1/0 هرتز راندمان ذخیره سازی ذره معادل 98 درصد به دست آمد. با قرار گرفتن این عنصر مداری در مدارهای جنبش مغناطیسی، تراشه مورد نظر تکمیل شده و کاربردهای مهمی در سیستمهای آزمایشگاه بر روی تراشه، زیست شناسی تک سلولی، و غربال گری دارویی خواهد داشت.
    کلیدواژگان: مدارهای جنبش مغناطیسی، خازن، ریزذرات میکرومتری مغناطیسی، انتقال ذرات، ریزسیالات
  • حمیدرضا رمضان بهتاش، مریم طهماسب پور*، محمدرضا تیزفهم صفحات 659-674
    دی اکسید کربن از مهم ترین گازهای گلخانه ای بوده و جذب آن در فرایند چرخه کلسیم، یکی از امیدوارکننده ترین فناوری ها برای کاهش اثرات منفی آن بر روی تغییرات اقلیمی می باشد. با توجه به این که این فرایند در دماهایی بالاتر از oC 700 انجام می گیرد، امکان مطالعه و تحقیق بر روی سینتیک واکنش های صورت گرفته در آن در مقیاس های صنعتی و در شرایط واقعی مهیا نمی باشد. از همین رو در این تحقیق، از دو مدل سینتیکی حفرات تصادفی و شبه فراکتال جهت مدل سازی داده های آزمایشگاهی واکنش کربناسیون و سولفاته شدن استفاده شد. نتایج نشان داد که به دلیل اهمیت مرحله نفوذ در لایه محصول، اختلاف بین داده های تجربی و نتایج حاصل از مدل حفرات تصادفی با گذشت زمان، افزایش پیدا کرده و در غلظت های بالای گاز دی اکسید سولفور ورودی، این اختلاف بیشتر نیز شد. در مقابل، مدل شبه فراکتال با متغیر در نظر گرفتن ثابت نفوذ در طول زمان واکنش، نتایج به دست آمده را با دقت بهتری ارایه داد. از مدل شبه فراکتال جهت پیش بینی درصد تبدیل کربناسیون و سولفاته شدن در چرخه های 5، 15 و 30 استفاده شد که درصدهای تبدیل برای کربناسیون به ترتیب 60، 37 و 27 درصد و برای سولفاته شدن به ترتیب 1/3، 6/1 و 1/1 درصد بدست آمد. به علاوه، به دلیل کاهش ظرفیت جذب و سطح ویژه جاذب، درصد تبدیل در طول چرخه های متوالی کاهش یافته است.
    کلیدواژگان: جذب دی اکسید کربن، کربناسیون، سولفاته شدن، مدل حفرات تصادفی، مدل شبه فراکتال
|
  • Jalal Ghasemi *, Shirzad Sadri Pages 557-576

    This research has analyzed the drilling process in the human femur bone in order to determine the heat transfer coefficient and investigate the occurrence or non-occurrence of thermal necrosis. 3D drilling simulation have carried out in natural with air and force convection with normal-saline and the analysis performed for three feed rates of 50, 100 and 150mm/min at rotational speeds of 500, 1000 and 2000 rpm. The results show that in the natural cooling state, the highest generated heat is equal to 4J at 50mm/min and 500rpm while the lowest value of generated heat is 1.65J at 150mm/min and 2000rpm. The maximum difference of the average heat transfer coefficient with the experimental results is %12.5, which represents a good accuracy of the present results. The results in this state also show that the average heat transfer coefficient at 100 and 150mm/min is %55 and %29.1 more, respectively, and it is %5 less at 50mm/min rate, compared to the constant value of 20w/m2.k which is considered in the previous researches. Thermal necrosis occurs under all conditions of the natural cooling. In the force cooling, the highest average heat transfer coefficient with normal_saline is 150mm/min at a rotational speed of 2000rpm, which is equal to 3650w/m2.k and in all conditions, the bone temperature has not exceeded the temperature limit of thermal necrosis

    Keywords: Bone drilling, Femur bone, Normal saline coolant, Thermal necrosis, cortical bone
  • Mahdi Hashemabadi *, Ramin Hajian, Jamasb Pirkandi, Shabnam Mansoori, Seyyed ali Sadrvaghefi Pages 577-594

    The present research deals with the experimental investigation and comparison of microchannel and vane-tube condenser in a refrigeration cycle. This research investigate the effect of the type of condenser on the efficiency of the duct-split with a cooling capacity of 2.5 tons of refrigeration using experimental tests. For this purpose, two microchannel and fin-tube condensers have been used in a refrigeration cycle that has R407c refrigerant. Except for the condenser, the rest of the components of the refrigeration cycle, such as the fan, compressor, expansion valve, and evaporator are the same in both refrigeration cycles. The effect of the type of condenser on the performance coefficient of the refrigeration cycle has been evaluated at three different speeds of the condenser fan. Also, compressor power, evaporator cooling power, condenser thermal power, and temperature-entropy diagram (T-s) were extracted. Six different experiments have been conducted, and each experiment has been repeated three times to ensure the results. The results show that the use of the microchannel condenser in the same conditions and with 700 g less refrigerant charge in the entire refrigeration cycle, increases the performance factor by about 4% compared to the system that has fin-tube condenser.

    Keywords: Compression refrigeration cycle, microchannel condenser, Fin-tube condenser, Coefficient of performance, R407c refrigerant
  • Farhad Rezvan Nejad, Javad Rostami * Pages 595-616
    Today, the use of nanofluids in microchannels is widely used for cooling microelectronic components. In this study, the flow and heat transfer of nanofluid in a converging and diverging microchannel has been investigated. The governing equations are solved by finite element method and two-phase mixture model in Comsol Multiphysics software. The results of this simulation were obtained for Reynolds numbers (100-700) and different concentrations of nanoparticles (0-0.02) for diverging and converging microchannels with different slopes (0-0.05). Also, the effect of two different nanofluids water-copper and ethylene-glycol-copper has been considered in the simulations. Nanoparticles diameter is 50 nm and the average height of the microchannels is 50 microns. The results include Nusselt number and performance coefficient for different situations. For water-copper nanofluid with a volume fraction of 1% in a converging microchannel with a slope of 3% and Reynolds 100, it increases by about 1.6 times for a converging microchannel and 1.1 times for a diverging microchannel compared to a flat microchannel. In this case, the performance coefficient for convergent and divergent microchannel is 1.37 and 1.74, respectively. In the same conditions, for ethylene glycol-copper nanofluid, the Nusselt number for converging microchannel becomes 1.22 times compared to flat microchannel and 1.13 times for divergent microchannel. In this case, the performance coefficient for convergent and divergent microchannel is 1.17 and 1.4 respectively.
    Keywords: Nanofluids, converging microchannel, diverging microchannel, Two-phase mixture model
  • Mahdi Bagherian Dehaghi, Mehrzad Shams *, Pejman Naderi Pages 617-642
    Due to the vast and diverse applications of electrospray in various aspects of human life, this subject has always been of interest to researchers. This article discusses the experimental investigation of the electrospray process for the ethanol-water mixture with three different concentrations of 70%, 96%, and 99.9%. In this article, first, different electrospray modes for 70% ethanol, based on high-speed images, are defined and explained. For three concentrations of 70%, 96%, and 99.9% of the ethanol-water mixture, the Taylor cone angle and the jet diameter at the onset and end of the stable electrospray region have been calculated. For this purpose, high-speed imaging and processing of the resulting images have been utilized. The cone angle and the diameter of the jet exiting from the cone for the three fluids have been calculated for all onset and end points of the stable electrospray region for flow rates ranging from 0.1 to 1 mL/h. The average jet diameter for all points of the stable region for 70%, 96%, and 99.9% ethanol fluids is equal to 34.43, 33.78, and 31.70 microns, respectively. Additionally, the average cone angle for all points of the stable region is 87.26°, 85.80°, and 84.13° for ethanol fluids, 70%, 96%, and 99.9%, respectively. Therefore, the highest cone angle and jet diameter values correspond to 70% ethanol, and the lowest values correspond to 99.9% ethanol.
    Keywords: Jet diameter, Cone angle, Stable region, Ethanol-water mixture, Electrospray
  • Roozbeh Abedini-Nassab *, Sajjad Bahrami Pages 643-658
    One of the main goals in the field of lab-on-a-chip is the manipulation of microparticles and cells on microfluidic chips. Methods based on magnetic forces, with remote controllability over particle movement, are considered one of the most appealing techniques toward this goal. Recently, inspired by electronic circuits and to transport particles in a controlled fashion in a tri-axial magnetic field, magnetophoretic circuits based on TI-shaped magnetic thin films are introduced. However, to date, capacitors are not used in order to store transported particles in these circuits. Here, TI magnetophoretic capacitors are introduced and characterized. The capability of the capacitor for storing particles of different sizes at various rotating magnetic field frequencies is studied. Towards this goal, finite element methods are used to simulate the magnetic potential energy distribution created by the magnetic thin films. Also, the trajectory of the magnetic particles, considering the drag forces, based on semi-analytical analysis and stochastic numerical analysis, are investigated. The simulation results are validated experimentally. At the operating frequency of 0.1 Hz loading efficiency of 98% was achieved. Adding this circuit element to the magnetophoretic circuits results in a complete chip, with important applications in lab-on-a-chip systems, single-cell biology, and drug screening.
    Keywords: Magnetophoretic circuits, Capacitors, Magnetic microparticles, Particle transport, Microfluidics
  • Hamidreza Ramezan Behtash, Maryam Tahmasebpour *, Mohammadreza Tizfahm Pages 659-674
    Carbon dioxide (CO2) is the primary greenhouse gas and its capturing by calcium looping process is considered as one of the most promising technologies to reduce the negative effects on climate changes. Since the calcium looping process is carried out at temperature higher than 700 oC, it is not always possible to perform experimental investigations of the reactions taking place in industrial scales at real conditions. Therefore, in this research, two kinetic models including random pore and fractal-like models were used for the modeling of carbonation and sulfation reactions. The results showed that due to the importance of the diffusion stage in the product layer, the difference between the experimental data and the ones predicted by random pore model increased by passing time, and this difference was more increased under higher concentrations of sulfur dioxide. On the contrary, the fractal-like model with considering variable diffusion coefficients during the reaction time, presented a better accuracy. The fractal-like model was used to predict the carbonation and sulfation reactions conversions at cycles 5, 15, and 30, showing 60, 37, and 27% carbonation conversion, and 1.6, 1.3, and 1.1% sulfation conversion, respectively. In addition, the conversions were decreased during the consecutive cycles due to the decrease of capture capacity and specific surface area of the adsorbent.
    Keywords: CO2 capture, CARBONATION, Sulfation, Random pore model, Fractal-like model