فهرست مطالب

مهندسی مکانیک امیرکبیر - سال پنجاه و پنجم شماره 7 (مهر 1402)

مجله مهندسی مکانیک امیرکبیر
سال پنجاه و پنجم شماره 7 (مهر 1402)

  • تاریخ انتشار: 1402/07/01
  • تعداد عناوین: 6
|
  • رامین ابول زاده، محمدعلی جزووزیری*، محمدهادی اسلامی، امیرحسین حسین صفحه 1

    گونه ای نوظهور از تسلیحات ماوراء صوت که به شکل گسترده ای موردتوجه قرارگرفته اند، هواسرهای ماوراء صوت می باشند. این وسایل با طی مسافت های طولانی در حدود چندین هزار کیلومتر درون جو و سرعت های بسیار بالا تا بیش از 20 ماخ ، هر سامانه ی دفاعی را به طورجدی به چالش می کشند. در این پژوهش به طراحی آیرودینامیکی یک هواسر ماوراء صوت بر اساس تیوری موج سوارها و روش موج سوار مشتق از مخروط پرداخته شده است. یک روش پارامتری با سه پارامتر زاویه ی شوک مخروطی β ، زاویه ی هشتی φ و نسبت فشردگی S معرفی گردیده و به شکل یک کد طراحی مورداستفاده قرارگرفته است. در فرآیند طراحی، از هواسر ماوراء صوت اچ.تی.وی.2 (HTV2) به عنوان مدل مرجع استفاده شده است. برای دست یابی به پیکربندی هایی با ابعاد عملیاتی، با تغییر پارامترهای طراحی، چهار پیکربندی موج سوار با ابعاد مشابه مدل مرجع شناسایی شده است. با تحلیل این چهار پیکربندی به روش دینامیک سیالات محاسباتی، پیکربندی که درمجموع بهترین نتایج آیرودینامیکی و حجم را دارد، به عنوان پیکربندی برگزیده ی طراحی انتخاب شده است. پیکربندی برگزیده نسبت به مدل مرجع، درازای 15 درصد حجم کمتر، 36 درصد کارایی آیرودینامیکی بیشتری دارد. این مسیله بر کارایی روش به کاررفته در طراحی آیرودینامیکی هواسرهای ماوراء صوت دلالت دارد.

    کلیدواژگان: هواسر ماوراء صوت، پیکربندی های موج سوار، موج سوار مشتق از مخروط، روش طراحی معکوس آیرودینامیکی، آیرودینامیک ماوراء صوت
  • ایمان زاهد، یاسر امینی*، احسان ایزدپناه صفحه 2

    یکی از چالش بر انگیزترین پدیده های مشاهده شده در محیط پیرامون، برهم کنش سیال-سازه است که می تواند نقش عمده ای در انتقال حرارت، کاهش نیروی پسا و برآ و همچنین برداشت انرژی داشته باشد. امروزه از این پدیده که بر گرفته از پدیده های مشابه در طبیعت است برای افزایش بازده تجهیزات در حوزه مهندسی همچون توربین های بادی استفاده می شود. رفتار دینامیکی سازه های انعطاف پذیر در کنش با سیالات، به عنوان یک بحث در حال تکامل مهندسی در حوزه های صنعتی شامل سازه های استاتیکی، وسایل و شناورهای دریایی، مبدل های حرارتی و همچنین انتقال سیال شناخته می شود. در این پژوهش اثر بکارگیری پره ی انعطاف پذیر غیر متصل به استوانه دایره ای در جریان تراکم ناپذیر ناپایا با رژیم آشفته در حالت دوبعدی بررسی می گردد. همچنین جهت شبیه سازی عددی این مسیله، از روش عددی حجم محدود و روش اجزای محدود به صورت هم زمان و همچنین برای بررسی جریان آشفته از مدل kw-SST باتوجه به قابلیت های آن استفاده می شود. اثر فاصله پره منعطف (5/0، 1و 5/1 برابر قطر استوانه)، موقعیت قرار گرفتن آن (بالادست یا پایین دست استوانه) و مدول یانگ بر مشخصات حرارتی و هیدرودینامیکی جسم بررسی گردید. نتایج نشان داد تاثیر موارد بررسی شده بر الگوی جریان، عدد ناسلت و ضرایب پسا و برا قابل توجه است. همچنین مقایسه حالت انعطاف پذیر پره با حالت صلب آن، نشان داد که انتقال حرارت تا 15% افزایش می یابد.

    کلیدواژگان: بر هم کنش سیال-سازه، پره انعطاف پذیر غیر متصل، ریزش گردابه، انتقال حرارت، جریان آشفته
  • آیدین غزنوی اسگوئی*، سید ابوالفضل موسوی ترشیزی صفحه 3

    پوسته ناسل و دماغه اغلب توربینهای بادی مگاواتی از جنس ورقهای کامپوزیتی میباشد. با توجه به شکل و هندسه های مختلف و همچنین ابعاد بزرگ این قطعه، امکان ساخت یکپارچه پوسته ناسل توربین بادی وجود ندارد. از اینرو، این کامپوننت از قطعات متعددی تشکیل شده است که بنا به نیاز مکرر توربین بادی به تعمیر و نگهداری در طول عمر بیست ساله خود، این قطعات باید توسط اتصالات غیر دایم مکانیکی همچون پیچ و مهره به یکدیگر متصل شوند. با توجه به اهمیت موضوع، شناختن تمام پارامترهای اثر گذار و موثر بر اتصالات کامپوزیتی از اهمیت بسزایی برخوردار است. یکی از مهمترین پارامترهای طراحی اتصالات پیچی، میزان پیش بار پیچ میباشد. با توجه به کامپوزیت جنس ورقهای دو طرف اتصال، امکان افزایش بی مهابای پیش بار وجود ندارد. چرا که خود این موضوع میتواند منجر به آسیبهایی به ورق های کامپوزیتی گردد. از اینرو در این مقاله، در ابتدا تاثیر پیش بار پیچ و یا گشتاور سفت کردن پیچ در اتصالات کامپوزیتی، به روش تجربی مورد ارزیابی قرار گرفته است. برای این منظور نمونه های یکسانی با گشتاورهای سفت کنندگی پیچ 2، 10، 20، 30، 40 و 50 نیوتن بر متر ساخته و تحت تست کشش قرار گرفته است. در ادامه، پس از تعیین بهینه ترین نیروی پیش بار، برای یافتن بهترین حالت چیدمان پیچ ها، 4 نوع چیدمان مختلف نیز مورد تست تجربی قرار گرفت.

    کلیدواژگان: کامپوزیت، اتصالات پیچی، پیش بار، چیدمان اتصال، توربین بادی
  • بهروز راعی* صفحه 4

    سطح pH نانوسیالات نقش مهمی را در پایداری و ضریب هدایت حرارتی ایفا می نماید. اما مطالعات محدودی در این زمینه صورت گرفته است. در این پژوهش، بررسی تجربی اثر pH بر پایداری و ضریب هدایت حرارتی نانوسیالات اکسید روی - اتیلن گلایکول در غلظتهای 05/0 و 75/0 درصد حجمی و اکسید منیزیم - آب در غلظتهای 05/0 و 5/0 درصد حجمی انجام شد. اندازه گیریهای تجربی ضریب هدایت حرارتی توسط دستگاه KD2 Pro در دمای ثابت 25 درجه سانتیگراد انجام گرفت. نتایج نشان داد که میزان pH بر پایداری نانوسیالات به شدت تاثیر گذاشته بطوریکه در pH نقطه ایزوالکتریک، ته نشینی و رسوب کامل مشاهده گردید. ضریب هدایت حرارتی نانوسیالات در pH نقطه ایزوالکتریک کمترین مقدار را داشته اما با فاصله گرفتن pH از نقطه ایزوالکتریک، ضریب هدایت حرارتی افزایش یافته است. بیشترین درصد افزایش ضریب هدایت حرارتی نانوسیال اکسید روی - اتیلن گلایکول برابر با 63% بوده که در غلظت75/0 درصد حجمی و 12=pH بدست آمد. اما بیشترین درصد افزایش ضریب هدایت حرارتی نانوسیال اکسید منیزیم-آب برابر با 49% در غلظت 5/0 درصد حجمی و 12= pH حاصل شد. در نهایت با استفاده از نتایج تجربی و با کمک برازش منحنی، معادلاتی با کیفیت مطلوب برای برای پیش بینی ضریب هدایت حرارتی موثر نانوسیالات اکسید فلزی ارایه گردید.

    کلیدواژگان: نانوسیال، پایداری، ضریب هدایت حرارتی، تجربی
  • علیرضا زنداف، قاسم حیدری نژاد* صفحه 5

    در مطالعه حاضر،با شبیه سازی فرایند دو عطسه متوالی با استفاده از مدل واقعی راه هوایی فوقانی یک مرد 65ساله غیرسیگاری، الگوی پراکندگی قطرات حاصل از فرایند دو عطسه متوالی مورد بررسی و تحلیل قرار گرفته است.با استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی،سرعت جریان هوا در هنگام دو عطسه متوالی بررسی شده و از مدل آشفتگیk-ω SSTبه منظور بررسی جریان استفاده شده است.با فرض تغییرات دبی جریان به صورت واقع گرایانه و یکسان در هر دو عطسه،بیشینه دبی عبوری در هنگام عطسه بر اساس سن و جنسیت سوژه برابر 553لیتر بر دقیقه است.در مطالعه حاضر،شبیه سازی با درنظرگرفتن طیف گسترده ای از قطرات با قطرهای 1 تا1000 میکرون انجام شده است و حدود 2 میلیون قطره در طی فرایند دو عطسه متوالی در محیط اطراف تزریق شده است.در این مطالعه دما هوای موجود در محیط اطراف و جت هوای خروجی از درون دستگاه تنفسی به ترتیب برابر 24 و35 درجه سانتی گراد و رطوبت نسبی محیط اطراف و جت هوا به ترتیب برابر 65 و95 درصد فرض شده است.بیشینه میزان نفوذ و پخش قطرات حاصل از دو عطسه متوالی در زمان 5 ثانیه به ترتیب 9/19 و5/7 درصد بیشتر از میزان نفوذ و پخش قطرات حاصل از تک عطسه معمولی در زمان مشابه است.بخش عمده ای از قطرات تزریق شده در محیط اطراف در طول فرایند دو عطسه متوالی تبخیر شده اند؛به طوری که در زمان 5 ثانیه کمتر از 40هزار قطره در محیط باقی مانده اند.

    کلیدواژگان: شبیه سازی عددی عطسه، عطسه متوالی، پراکندگی قطرات، جریان دوفازی
  • مرتضی مهرابیان، جواد محمودی مهر* صفحه 6

    استفاده از زیست گاز به جای هیدروژن در پیل سوختی می تواند به زنجیره تولید انرژی پاک کمک نماید. در تحقیق حاضر، تاثیر شرایط عملکردی بر عملکرد پیل سوختی اکسید جامد تغذیه شونده با بیوگاز بررسی می شود. به این منظور، به روش حجم محدود و به کمک نرم افزار فلوینت به توسعه یک مدل عددی سه بعدی پرداخته شده است. همچنین از توابع تعریف شده توسط کاربر، برای تعریف واکنش های اصلاح بخار، و از روش بالادست مرتبه دوم و الگوریتم سیمپل برای گسسته سازی معادلات حاکم و کوپل سرعت-فشار استفاده شده است. نتایج نشان می دهد با افزایش نسبت بخار به کربن، میزان توان ابتدا افزایش و سپس کاهش می یابد. همچنین با افزایش غلظت متان در بیوگاز، نرخ واکنش های اصلاحی افزایش یافته و عملکرد پیل سوختی بهبود می یابد. در ولتاژ میانی 5/0 ولت و دمای عملکردی 1073 کلوین، با افزایش درصد متان در بیوگاز از 45% به 65%، توان به میزان 15% افزایش می یابد. همچنین با افزایش دمای عملکردی، به دلیل افزایش نرخ واکنش های اصلاحی و الکتروشیمیایی و بهبود هدایت یونی، عملکرد پیل سوختی بهبود می یابد. در ولتاژ میانی 5/0 ولت و به ازای بیوگاز با 65% متان، با افزایش دما از 1073 به 1273 کلوین، توان به میزان 132% افزایش می یابد. نتایج نشان می دهد که میزان بهینه نسبت بخار به کربن با افزایش دما کاهش و با افزایش غلظت متان در سوخت افزایش می یابد و در محدوده 3/0 تا 2/1 قرار می گیرد.

    کلیدواژگان: پیل سوختی اکسید جامد، سوخت بیوگاز، تاثیر شرایط عملکردی، اصلاح داخلی بخار، شبیه سازی عددی
|
  • Ramin Abolzadeh, MohammadAli Jozvaziri *, MohammadHadi Islamy, Amirhossein Hossein Page 1

    Hypersonic glide vehicles are a novel type of hypersonic weapons that have received extensive attention. These vehicles can seriously challenge any defense system by traveling long distances of about thousands of kilometers in the atmosphere at very high speeds up to more than 20 Mach. In this research, the aerodynamic design of a hypersonic glide vehicle has been done based on the waverider theory and conical-derived waverider Method . In this study, a parametric method with three parameters, including cone shock angle β, dihedral angle φ, and compression ratio S, was introduced and used as a design code. In the design process, the HTV2 hypersonic glide vehicle was used as a reference model. To achieve configurations with operational dimensions, by changing the design parameters, four waverider configurations with identical dimensions were identified as the reference model. By analyzing these four configurations using the computational fluid dynamics method, the configuration with the best aerodynamic and volume results was selected as the preferred design configuration. Compared to the reference model, the preferred configuration has 36% more aerodynamic efficiency and 15% less volume, and indicating the efficiency of the used method.

    Keywords: Hypersonic glide vehicle, waverider configurations, cone-derived waveriders, reverse aerodynamic design method, hypersonic aerodynamics
  • Iman Zahed, Yasser Amini *, Ehsan Izadpanah Page 2

    Fluid-structural interaction is one of the most challenging phenomena observed in the surrounding environment, which can play a major role in increasing heat transfer, reducing drag and lift coefficients, energy dissipation, and reducing pressure drop. By inspiration from similar phenomena in nature, the dynamic behavior of flexible structures which interact with fluid is recognized as a novel application in industrial process such as marine equipment, heat exchangers, and fluid transports. So, this phenomenon should be considered as a way to increase efficiency, eliminate defects and also prevent possible damage in industrial issues on a smaller scale. In this study, the effect of a detached flexible plate, which are placed at specific distance from a circular cylinder, on aerodynamic and thermal parameters is investigated. This study is simulated by the finite volume method and the finite element method, simultaneously, and also kw-SST model is considered as the turbulent flow model. The fin is placed at different distances of 0.5D, 1D and 1.5D in upstream and downstream of the circular cylinder, where D is diameter of the cylinder. The results show that placing the fin at distance 1D from cylinder in downstream, increases the Nusselt up to 15%. Moreover, the maximum reduction of the drag coefficient is obtained in this situation

    Keywords: Fluid-Structure Interaction, Flexible fin, vortex shedding, heat transfer, Turbulent flow
  • Aidin Ghaznavi *, S. Abolfazl Mousaavi Page 3

    The nacelle cover and nose cones of most megawatt wind turbines are made of composite sheets. Due to the different shapes and geometries as well as the large dimensions of this components, this components are composed of several parts that must be connected to each other by non-permanent mechanical connections such as bolts. Therefore, it is very important to know all the effective parameters affecting composite joints. One of the most important design parameters of bolt connections is the amount of blot preload or tightening torque. Due to the composite material of the sheets on both sides of the joint, it is not possible to increase the preload without any concern. Because, this in itself can lead to damage to the composite sheets. Therefore, in this paper, first, the effect of bolt preload or bolt tightening torque on composite joints has been evaluated experimentally. For this purpose, identical specimens with bolt tightening torques of 2, 10, 20, 30, 40 and 50 Nm have been fabricated and subjected to tensile testing. Then, after determining the optimal preload force, 4 different types of arrangement were experimentally tested to find the best bolt arrangement. Finally, by examining different aspects, the best arrangement for connecting different parts of the nacelle cover and nose cone is determined.

    Keywords: composite, boltedjoint, Preload, bolt arrangement, Wind turbine
  • Behrouz Raei * Page 4

    The pH level of nanofluids plays an important role in stability and thermal conductivity. But limited studies have been done in this field. In this research, the effect of pH on the stability and thermal conductivity of ZnO-EG nanofluid at concentrations of 0.05 and 0.75% volumetric fraction and MgO-W at concentrations of 0.05 and 0.5% volumetric fraction were investigated. Experimental measurements of the thermal conductivity were performed by KD2 Pro at a constant temperature of 25 °C. The results showed that the pH strongly affected the stability of nanofluids, so that at the pH of the isoelectric point (IEP), complete aggregation and sedimentation were observed. The thermal conductivity of nanofluids have the lowest value at the pH of the isoelectric point, but as the pH moves away from the isoelectric point, the thermal conductivity has increased. The highest enhancement in the thermal conductivity of ZnO-EG nanofluid was 63%, which was obtained at a volume fraction of 0.75% and pH = 12. However, the highest enhancement in the thermal conductivity of MgO-W nanofluid was 49%, which obtained at a volume fraction of 0.5% and pH = 12. Finally, using the experimental results and with the help of curve fitting, equations with good quality were presented to predict the effective thermal conductivity of metal oxide nanofluids.

    Keywords: Nanofluid, stability, Thermal Conductivity, experimental
  • Alireza Zandaf, Ghassem Heidarinejad * Page 5

    In the present study,by simulating the process of two consecutive sneezes using a real model of the upper airway of a 65-year-old non-smoking man,the dispersion pattern of droplets resulting from the process of two consecutive sneezes has been investigated.Using computational fluid dynamics,the velocity of airflow during two consecutive sneezes was checked and the k-ωSST turbulence model was used to check the flow.Assuming realistic flow rate changes in both sneezes,the maximum flow rate during sneezing according to the subject's age and gender is equal to553L/min.In the present study,the simulation has been carried out by considering a wide range of droplets with diameters of1 to1000microns, and about 2million drops have been injected into the surrounding environment during the process of two consecutive sneezes.In this study,the temperature of the air in the surrounding environment and the air jet coming out of the respiratory system are assumed to be24 and35 C,and the relative humidity of the surrounding environment and the air jet is assumed to be 65and95%.The maximum rate of penetration and spread of droplets resulting from two consecutive sneezes in 5seconds is19.9and7.5% higher than the rate of penetration and distribution of droplets resulting from a single normal sneeze at the same time.Most of the injected droplets have evaporated in the surrounding environment during the process of two consecutive sneezes,and less than40000drops are left in the environment in 5seconds.

    Keywords: Numerical Simulation of Sneezing, Consecutive Sneezing, Droplets Diffusion, two-phase flow
  • Morteza Mehrabian, Javad Mahmoudimehr * Page 6

    Using biogas, rather than pure hydrogen, in a solid oxide fuel cell (SOFC) can help the green energy production chain. This research investigates the influence of operating conditions on the performance of a biogas-fueled SOFC. In this regard, a 3D numerical model is developed using finite volume approach and Fluent software. User Defined Functions are employed to introduce the steam reforming processes inside the SOFC. Second-order upwind scheme and SIMPLE algorithm are used for the discretization of governing equations and the pressure-velocity coupling. The results indicate that the power density first increases and then decreases by increasing the steam to fuel (S/C) ratio. Increasing the biogas methane content causes the performance of the SOFC to improve through enhancing the rates of reforming reactions. At a voltage of 0.5V and an operating temperature of 1073K, increasing the biogas methane percentage from 45% to 65%, causes the power to increase by 15%. Also, increasing the operating temperature enhances the SOFC performance through increasing the rates of reforming and electrochemical reactions and the electrolyte ionic conductivity. At a voltage of 0.5V, for a biogas methane percentage of 65%, increasing the operating temperature from 1073K to 1273K, leads to a 132% growth of power. It is also found that the optimal S/C ratio decreases with temperature and increases with biogas methane content and lies within the range of 0.3-1.2.

    Keywords: Solid oxide fuel cell, biogas fuel, Influence of operating conditions, Internal steam reforming, numerical simulation