فهرست مطالب

علم و فناوری در مهندسی مکانیک - سال دوم شماره 1 (پیاپی 2، بهار و تابستان 1402)

نشریه علم و فناوری در مهندسی مکانیک
سال دوم شماره 1 (پیاپی 2، بهار و تابستان 1402)

  • تاریخ انتشار: 1402/04/01
  • تعداد عناوین: 14
|
  • مجتبی ماموریان، سید امیرحسین اکبری*، یوسف جوانشیر صفحات 7-25

    امروزه محدودیت منابع سوخت های فسیلی جهان را تحت تاثیر خود قرار داده و ایران به عنوان یک کشور در حال توسعه، 570 میلیون بشکه نفت از 1463 میلیون بشکه نفت اختصاص داده شده در بخش های مسکونی، صنعتی و حمل نقل را هدر می دهد. صنعت سیمان به عنوان یکی از متقاضیان پر مصرف انرژی، حدود 14% از انرژی بخش صنعتی کشور را مصرف نموده که حدود 40% از این انرژی در طول فرآیند های تولید اتلاف می شود. بنابراین، این پژوهش به منظور بازیابی گرمای اتلاف شده از صنعت سیمان توسط چرخه رانکین آلی صورت گرفته و توسط نرم افزار حل گر معادلات مهندسی EES شبیه سازی شده است. همچنین، به جهت جلوگیری از خوردگی مبادله کن های گرمایی و کنترل فرآیند تبخیر سیال آلی، از یک حلقه روغن حرارتی استفاده شده است. اتانول با توان تولیدی خالص kW 6213، بازده حرارتی 91/22% و بازده اگزرژی 18/24% نسبت به R123، R1233zd(E)، R1234ze(Z) و R600a بهترین عملکرد را دارا است و به عنوان سیال عامل مناسب انتخاب شده است. با افزایش هر kPa 100 فشار ورودی به توربین بخار، بازده های حرارتی و اگزرژی به ترتیب 7/2% و 67/2% افزایش می یابند و نیز با افزایش این شاخص شدت جریان جرمی ورودی به تبخیر کننده، 5/6% کاهش می یابد. افزایش هر یک درجه دمای چگالنده، به طور تقریبی موجب کاهش 5/6% بازده حرارتی و 5/5% بازده اگزرژی می شود.

    کلیدواژگان: صنعت سیمان، بازیابی گرمای اتلاف شده، چرخه رانکین آلی، تغییرات اقلیمی، حلقه روغن حرارتی
  • آرش نوربخش سعداباد، فاطمه افسونی، سید امیررضا عبداللهی*، مهدی نامی، سید فرامرز رنجبر صفحات 27-40

    در این مقاله پدیده نفوذ قطره مایع داخل محیط متخلخل به کمک روش حجم سیال دوفازی مطالعه شده است. با توجه به اهمیت جریان های دو و چند فازی و دستیابی به کم ترین خطا در شبیه سازی این پدیده،مدلی برای شبیه سازی جریان دو فازی نفوذ قطره در محیط متخلخل پیشنهاد شده است، با توجه به اینکه مهم ترین نکته در شبیه سازی جریان دوفازی نفوذ قطره در محیط متخلخل انطباق با نتایج تجربی است تمرکز این پژوهش بر ارایه مدلی با خطای کم تر نسبت به دیگر روش های ارایه شده در گذشته است که دستیابی به خطای کم تر نسبت به نتایج تجربی مهم ترین نوآوری این پژوهش محسوب می شود. شبیه سازی ها در این پژوهش با روش حجم سیال انجام شده است. تاثیر تغییر متغیرهای کشش سطحی، ویسکوزیته،زاویه تماس، ویسکوزیته و نفوذپذیری و سطح گسترش قطره در محیط متخلخل بررسی شده اند. زمانی که زاویه تماس قطره 60 و 20 درجه است تغییرات سطح گسترش تقریبا یکسان می باشد. سرعت پخش و نفوذ قطره آب بدون حضور نیروی گرانش با کشش سطحی 02/0 کمتر از دو کشش سطحی دیگر 001/0 و 0072/0 است در حالی با حضور نیروی گرانش قطره آب با کشش سطحی 001/0 پخش و نفوذ بیشتری نسبت به دو حالت دیگر دارد. نتایج نشان داد که روش حجم سیال مورد استفاده در این پژوهش نسبت به روش بولتزمن شبکه ای بر پایه روش چان و شن با فیزیک مسیله مشابه در مقایسه با نتایج تجربی 9 درصد دقت مناسب تری داشته است.

    کلیدواژگان: جریان دوفازی، حجم سیال، نفوذ قطره، محیط متخلخل، پیمایش قطره
  • عارف خرمی، امین امامیان، امین امیری دلویی* صفحات 41-49
    در این مطالعه، مساله سقوط یک قطره غیرنیوتنی غیر هم دما به صورت عددی مورد بررسی قرار گرفته است. هندسه مساله به صورت سه بعدی در نظر گرفته شده و از مدل پرکاربرد توانی(n=0.1) برای بررسی رفتار غیرنیوتنی قطره استفاده شده است. همچنین، نرم افزار کامسول برای شبیه سازی عددی انتقال حرارت قطره غیرنیوتنی انتخاب شده و نتایج حاصل از این تحقیق با کارهای مشابه پیشین مقایسه گردیده و صحت سنجی شده است. با توجه به نتایج بدست آمده،  تبخیر سطحی تاثیر به سزایی بر دمای قطره در حال سقوط دارد. شبیه سازی ها نشان می دهد که در نظر گرفتن تبخیر سطحی نسبت به حالت بدون در نظر گرفتن تبخیر سطحی می تواند باعث تغییر دمای قطره تا مقدار قابل توجه 10 درجه سانتی گراد شود. عوامل موثر بر تبخیر سطحی قطره شامل سرعت سیال و دمای قطره با جزییات مورد بررسی قرار گرفت و نتایج نشان داد که سرعت سیال مهم ترین عامل در تغییر میزان تبخیر سطحی در قطره است. با دو برابر کردن میزان سرعت قطره، دمای آن 8 درجه سانتی گراد افت پیدا می کند. بررسی مکانیزم حرکت و انتقال حرارت قطره غیرنیوتنی می تواند کاربرد های قابل توجهی در فرآیند های مختلف در صنایع چاپ، رنگ و به خصوص دارو سازی داشته باشد.
    کلیدواژگان: سقوط قطره، تبخیر سطحی، مدل غیرنیوتنی توانی، انتقال حرارت، کامسول
  • مجتبی صادقیان، میراعلم مهدی* صفحات 51-65
    در این پژوهش پس از بررسی کارهای تیوری و آزمایشگاهی انجام شده در زمینه پمپ های توربومولکولار به شبیه سازی رفتار مولکول در جریان مولکولی آزاد در بین طبقات پمپ توربومولکولار با درنظرگرفتن اثر مولکول های بازگشتی از سایر طبقات پرداخته خواهد شد. این شبیه سازی در دستگاه مختصات استوانه ای، به روش ذره نمونه مونت کارلو و با درنظرگرفتن هندسه واقعی و سه بعدی پره انجام شده است. سپس کار حاضر با نتایج تجربی و کارهای قبلی اعتبارسنجی و مقایسه می شود. در ادامه برای بررسی اثر زاویه پره در طبقات میانی و پایانی پمپ توربومولکولار، باتوجه به اینکه عمدتا در این طبقات از سه زاویه20، 15 و 10 درجه استفاده می شود، چهار ترکیب مختلف از زوایای مذکور برای یک پمپ توربومولکولار پنج طبقه ارایه شده است. در نهایت پس از بررسی چهار ترکیب ارایه شده می توان دریافت که برای طبقات میانی و پایانی پمپ توربومولکولار باید از زوایای مختلف با تاکید بر زاویه 15 درجه در مقایسه با زوایای 20 و 10 درجه و استفاده کمتر از زاویه 10 درجه به منظور دستیابی به حداکثر نسبت تراکم و حداکثر دبی عمل شود.
    کلیدواژگان: پمپ توربومولکولار، شبیه سازی عددی، روش ذره نمونه مونت کارلو، مولکول بازگشتی، ملاحظات طراحی، زاویه پره
  • وحید بهلوری* صفحات 67-76
    در این مقاله، از روش بهینه سازی مقاوم برای کاهش اثر نویز حسگر بر عملکرد سیستم کنترل وضعیت ماهواره با عملگر چرخ عکس العملی استفاده شده است. در این راستا میانگین مطلق خطای نشانه روی وضعیت ماهواره به عنوان معیار عملکرد اصلی کنترلی انتخاب شده است. الگوریتم بهینه ساز مبتنی بر الگوریتم ژنتیک و روش تکرارهای متوالی مونت کارلو برای لحاظ کردن اثر نویز و بدست آوردن ضرایب کنترلی استفاده شده است. از دینامیک مرتبه اول برای مدل سازی چرخ عکس العملی به عنوان عملگر اصلی کنترلی با لحاظ کردن محدودیت عملی حداکثر گشتاور تولیدی استفاده شده است. همچنین از یک کنترل کننده تناسبی- انتگرالی- مشتقی (PI-D) اصلاح شده با روش مشاهده گر برای کنترل ماهواره استفاده شده است. سیگنال نویز سفید گوسی پس از عبور از یک فیلتر مرتبه اول به سیگنال های مسیر بازخورد زاویه و سرعت زاویه ای اضافه می شود. به منظور مقایسه منصفانه نتایج، ضرایب کنترلی به ازای شرایط شبیه سازی یکسان، برای دو رویکرد بهینه سازی مقاوم و بهینه سازی قطعی بدست آمده است. معیار عملکرد بر حسب تابع چگالی طیفی توان نویز به ازای دو رویکرد بهینه سازی بررسی شده است. نتایج مقایسه ای نشان می دهد، سیستم کنترلی که با روش بهینه سازی مقاوم تنظیم شده، معیار عملکرد آن در مواجهه با نویز مقاوم تر بوده و تغییرات کمتری دارد در حالی که معیار عملکرد روش بهنیه سازی قطعی، تغییرات بیشتری در مواجهه با نویز دارد. نتایج نشانگر ارجحیت استفاده از رویکرد بهینه سازی مقاوم برای سیستم کنترل در معرض نویز است.
    کلیدواژگان: کنترل وضعیت ماهواره، نویز حسگر، بهینه سازی مقاوم، چرخ عکس العملی، تناسبی انتگرالی مشتقی اصلاح شده
  • مهدی بقراطی* صفحات 77-85

    با توجه به اهمیت فرایند خنک کردن و گرم کردن یک جسم جامد، تولید انتروپی در جریان محدود در اطراف یک مانع مورد بررسی قرار گرفته است. در این مطالعه، شبیه سازی عددی جریان لایه ای آرام و انتقال حرارت نانو سیال ها با نانو ذرات Al2O3 یا نانو لوله های کربن (CNTs)با شکل های مختلف در نظر گرفته شده است. معادله های ناویر-استوکس و انرژی به صورت عددی در یک سیستم مختصات متناسب با هندسه جسم، با استفاده از روش حجم کنترل حل شده اند. الگوهای جریان و میدان های دما برای مقادیر مختلف غلظت ذرات به طور دقیق بررسی شده اند. علاوه بر این، اثرات شکل و غلظت نانو ذرات بر انتقال حرارت مورد بررسی قرار گرفته است. همچنین، تاثیر نانو سیال ها بر افت فشار و توان پمپ مطالعه شد. از سوی دیگر، کمینه کردن تولید انتروپی به عنوان معیار بهینه سازی در نظر گرفته شده است. نتایج نشان می دهد که در بیشتر موارد، نانو سیال ها انتقال حرارت و همچنین افت فشار را افزایش می دهند. همچنین، شکل نانو ذرات مکانیزم انتقال حرارت در نانو سیال ها مهم است. نانو سیال ها با نانو ذرات استوانه ای CNT نسبت به نانو سیال های که دارای نانو ذرات Al2O3 با شکل کروی هستند، انتقال حرارت را بیشتر افزایش می دهند. برای نانو سیال حاوی CNT با غلظت %5/0 انتقال حرارت خیلی بیشتر از توان پمپاژ افزایش یافته است که این نانو سیال را یک انتخاب اقتصادی می سازد.

    کلیدواژگان: انتقال حرارت، تولید انتروپی، کانال با مانع، نانو ذرات، Al2O3، CNT
  • امیر آقابابائی*، محسن بدرسمای صفحات 87-100
    روش های ساخت افزودنی در سال های اخیر به دلیل قابلیت های زیادشان از جمله مصرف بهینه مواد و کاربردشان در ساخت ساختارهای پیچیده، محبوبیت بسیارخوبی پیدا کرده اند. یکی از مهم ترین روش ها در این فرآیندها، فرآیند ذوب گزینشی با لیزر است. در تحقیقات پیشین، اندازه گیری توزیع تنش های پسماند در نمونه های اینکونل 625 تحت فرآیند ذوب گزینشی با لیزر مورد تحقیق قرار نگرفته است. لذا در این تحقیق، فرآیند ذوب گزینشی با لیزر به وسیله روش شبیه سازی به روش المان محدود، بر روی نمونه اینکونل 625 انجام گرفته و سپس توزیع تنش های پسماند در نمونه حاصل شده از فرآیند در سه جهت اصلی مورد بررسی قرار گرفته است. همچنین نحوه تشکیل حوضچه مذاب، ابعاد آن و توزیع دما نیز مورد تحقیق قرار گرفته است. نتایج حاصل نشان داد که تنش های پسماند کششی در مرکز لایه و تنش های پسماند فشاری بیش تر در لبه های نمونه بوجود آمده اند. همچنین ماکزیمم تنش های پسماند در جهت طولی و مینیمم آن ها در جهت ضخامت لایه بوجود آمده اند. نتایج مربوط به تاثیر پارامترهای فرآیند بر توزیع تنش های پسماند نشان داد که با افزایش توان لیزر، تنش های پسماند کششی و فشاری در هر دو جهت محوری و محیطی افزایش می یابد ولی کاهش سرعت اسکن، اطلاعات دقیقی از میزان افزایش یا کاهش این تنش ها به ما نمی دهد. به منظور اعتبارسنجی نیز نتایج حاصل از روش المان محدود با نتایج حاصل از دیگر محققان مقایسه گردید. اختلاف حاصل شده %13.97 بود. در نتیجه توافق خوبی میان آن ها برقرار شد.
    کلیدواژگان: ساخت افزودنی، ذوب گزینشی با لیزر، اینکونل 625، تنش پسماند، شبیه سازی به روش المان محدود
  • محمدرضا صابری، امیرمحمد قندهاریون*، احسان نقاش زاده صفحات 101-113
    در یک دهه اخیر با توسعه تکنولوژی و افزایش ضریب رفاه انسانی شاهد رشد چشمگیر استفاده از منابع انرژی در جهان هستیم. در این بین صنعت حمل و نقل شامل گونه زمینی، دریایی و هوایی بیشترین ضریب مصرف انرژی در جهان را دارا است. به طوری که با توسعه و فراگیری صنایع مذکور در اکثر مناطق دنیا، مشکلاتی از قبیل افزایش دمای کره زمین، تغییرات اقلیمی و افزایش آلایندگی‎های زیست محیطی بروز نموده است. این پدیده موجب جلب توجهات به سوی استفاده از منابع انرژی پایدار و سازگار با محیط زیست گردیده است. هدف اصلی پژوهش حاضر بررسی و مقایسه‎ی شاخص پایایی سه سوخت دیزل، بیودیزل و هیدروژن برای موتورهای احتراق داخلی با استفاده از معیارهای توسعه‎ی پایدار است. این روش ابزاری برای مقایسه و تحلیل سیستم‎های مبتنی بر انرژی و شامل سه دسته اصلی شاخص‎های زیست‎محیطی، اجتماعی و فناوری بوده که میزان امتیاز هر شاخص نشان‎دهنده سطح سازگاری فرآیند مورد بررسی است. به طوری که هر عنصر یا فرآیند که دارای پایایی بیشتر باشد، امتیاز بیشتری کسب می‎کند. به این ترتیب امتیازات در بازه 0 و 1 تخصیص داده می‎شوند. نتایج این تحقیق نشان داد که سوخت دیزل از حیث شاخص های فناوری (مانند اگزرژی و راندمان) و بیودیزل و هیدروژن از حیث شاخص های زیست محیطی و اجتماعی (مانند نرخ آلایندگی، قابلیت توسعه و رسالت زیست محیطی) دارای برتری نسبی هستند. به این ترتیب می توان انتظار داشت که با توسعه، بهینه‎سازی و تکمیل زنجیره استخراج، فرآوری و توزیع، در آینده‎ نزدیک شاهد جایگزینی نسبی این سوخت‎ها با سوخت فسیلی باشیم.
    کلیدواژگان: تغییرات اقلیمی، منابع انرژی پایدار، معیارهای توسعه ی پایدار، بررسی پایایی
  • فاطمه اشتواد، علی حسنی*، شهرزاد رحمانی صفحات 115-132
    در این تحقیق، پدیده خزش دیسک دوار پلیمری با استفاده از مدل ویسکو-هایپرالاستیک ماکسول تعمیم یافته مورد بررسی قرار گرفته است. پس از استخراج معادله دیفرانسیل جزیی تعادل لاگرانژی حاکم بر مسیله، تحلیل دیسک دوار با کدنویسی در FlexPDE انجام شد. مدل سازی دیسک در ANSYS با کدنویسی در محیط APDL، نشان داد که جابجایی شعاعی و تنش ون-میزز، تطابق بسیار خوبی با نتایج FlexPDE دارند. مزایای کدنویسی FlexPDE نسبت به انسیس از جمله تحلیل یک بعدی تنش-صفحه ای محورمتقارن بجای تحلیل دوبعدی، کاهش هزینه محاسباتی، امکان تعریف ضخامت متغیر (بدون کدنویسی اضافی) و نیاز به تعداد المان های کمتر در راستای شعاعی برای رسیدن به دقت مناسب (لزوم بکارگیری 20 المان در FlexPDE در مقایسه با 100 المان در ANSYS)، می باشد.نشان داده شد با گذر زمان و افزایش سرعت زاویه ای، جابجایی شعاعی و تنش ون-میزز دیسک دوار ناشی از پدیده خزش، افزایش می یابد. مشخص شد که با افزایش سرعت زاویه ای و کاهش توان در پروفیل ضخامت n_h، مقدار جابجایی و تنش ون-میزز در یک زمان مشخص، افزایش می یابد؛ اما تغییر در سرعت زاویه ای (به عنوان بار اعمالی) و تغییر در پارامتر n_h (به عنوان یک مشخصه ی هندسی)، تاثیر چندانی در زمان آرامش دیسک دوار ندارد.
    کلیدواژگان: خزش، مدل ویسکو-هایپرالاستیک ماکسول تعمیم یافته، دیسک دوار پلیمری ضخامت متغیر، FlexPDE، ANSYS APDL
  • محمد مسکینی، مصطفی لیوانی*، محمدحسین حبیبی صفحات 133-144

    در این پژوهش اثر معیوب بودن ماده هدفمند بر روی پاسخ ارتعاشات آزاد ورق هدفمند سالم و معیوب مورد مطالعه قرار می گیرد. یک تابع تغییرشکل برشی هایپربولیک جدید در این مقاله ارایه شده است. تابع هایپربولیک جدید طوری انتخاب شده که با وجود دقت کافی، درجه تابع تا حدامکان کم شود تا سرعت محاسبات تا اندازه زیادی کاهش یابد. خواص مواد هدفمند با توزیع توان تابع تغییرات خواص در راستای ضخامت تغییر می کند. ساختار این مواد در طی فرآیند تولید نمی تواند کاملا مطابق با الگوی مدنظر باشد که این موضوع منجر به تولید ماده هدفمند معیوب می شود. از این رو در این پژوهش، یک مدل سالم و دو نوع مدل معیوب برای تابع تغییرات خواص در نظر گرفته شده است. معادلات دیفرانسیل حاکم با استفاده از اصل همیلتون استخراج شده است. معادلات بدست آمده با استفاده از روش ناویر برای شرایط مرزی ساده حل گردید. اثرات پارامترهای مهم هندسی و مکانیکی شامل نسبت ضخامت به طول، نسبت طول به عرض و توان تابع تغییرات خواص بر روی پاسخ فرکانس طبیعی ورق هدفمند سالم و معیوب بررسی شده است. جهت اعتبارسنجی، نتایج تحلیلی بدست آمده در این پژوهش با نتایج ارایه شده در مقالات مقایسه شده است و در این مقایسه تطابق خوبی حاصل گردید که نشان از صحیح بودن تیوری جدید، روند استخراج و حل معادلات است.

    کلیدواژگان: ارتعاشات آزاد، مواد هدفمند معیوب، تئوری هایپربولیک جدید، اصل همیلتون، روش ناویر
  • مجتبی اسماعیلیان*، فرزاد برومند صفحات 145-156
    هدف از این تحقیق تحلیل حرارتی یک موتور مغناطیس دایم بدون جاروبک با کاربرد دریایی می باشد. ازجمله مزایای موتورهای مغناطیس دایم بدون جاروبک ایجاد گشتاور و توان بالا به نسبت وزن و اندازه آن ها می باشد. اما این موضوع منجر به افزایش زیاد دمای موتور می گردد. بنابراین طراحی سیستم خنک کننده برای خنک کاری و کاهش دمای این موتور ضروری می باشد. موتور ابتدا در حالت بدون سیستم خنک کننده و سپس همراه با سیستم های خنک کننده مختلف مورد تحلیل حرارتی قرار گرفته است. برای تحلیل حرارتی، ابتدا مدل سازی استاتور و پوسته انجام و سپس شبیه سازی انجام گرفته است. تحلیل حرارتی موتور ابتدا در حالت بدون سیستم خنک کننده و سپس همراه با سیستم های خنک کننده مختلف انجام شده است. به منظور بررسی میزان اثر سیستم خنک کننده و انتخاب یک سیستم خنک کننده بهینه و مناسب در این موتور، دمای بیشینه در سیستم های خنک کننده مختلف با تعداد سوراخ های 4، 8 و 12 عددی، قطر سوراخ های گوناگون 3، 4 و 5 میلیمتری و سطح مقطع های دایروی و بیضی گون با یکدیگر و با حالت بدون سیستم خنک کننده، مقایسه شده است. نتایج نشان داده است که دمای این موتور در حالت بدون سیستم خنک کننده تا حدود 416 درجه سانتی گراد می رسد. همچنین سیستم خنک کننده دارای 8 سوراخ 4 میلیمتری دایروی به عنوان مناسب ترین سیستم خنک کننده برای این موتور معرفی گردیده است.
    کلیدواژگان: موتور مغناطیس دائم، سیستم خنک کننده، تحلیل حرارتی، آب دریا
  • سعید وحیدی فر*، صادق فراهی صفحات 157-166
    در سیستم اطفا حریق ساختمانهای بزرگ در فصل زمستان جلوگیری از یخ زدگی آب داخل سیستم آبفشان موضوع مهمی است. بدین منظور از سیستم آبفشان لوله خشک استفاده می شود . در این روش به جای آب، هوا یا نیتروژن داخل سیستم بوده و در زمان حریق با ترکیدن بالب آبفشان ها افت فشار در سیستم ایجاد شده و آب با استفاده از سیستم پمپاژ آتش نشانی به داخل لوله ها تزریق و در حداقل زمان مطابق استاندارد باید به دورترین اسپرینکلر برسد. در حال حاضر اکثر سیستم لوله کشی ها سیستم خشک هنوز به صورت نیمه تجربی اجرا می شود. که در بسیاری از موارد مدت زمان تخلیه آب با استاندارد اتش نشانی همخوانی ندارد. لذا لازم است موضوع به لحاظ علمی مورد توجه و بررسی قرار گیرد. در این مطالعه عددی به کمک نرم افزار انسیس فلوینت با تغییر در ساختمان آبفشان و مجرای خروجی آب با زوایای متفاوت اقدام به بررسی مدت زمان تخلیه آب گردید . نتایج نشان می دهد که افزایش دبی جریان هوا و همچنین اضافه کردن زاویه همگرایی نازل مجرای خروجی آبفشان، موجب افزایش سرعت جریان هوا در خروجی نازل شده که این موضوع مدت زمان تخلیه هوا را کاهش داده و در نتیجه زمان رسیدن آب به خروجی دورترین آبفشان را کم می کند. نتایج نشان می دهد با تغییر زاویه همگرایی نازل به 60 درجه و زاویه واگرایی 15 درجه را به جای آبفشان مدل استاندارد ساخت تایکو، استفاده کنیم سرعت خروجی هوا از آبفشان تا 60 درصد افزایش می یابد.
    کلیدواژگان: آبفشان لوله خشک، نازل همگرا-واگرا، زاویه همگرایی- واگرایی، جریان مافوق صوت
  • احسان کفاش*، سید مهدی مداحی، ایمان میرشجاعیان صفحات 167-182
    یکی از اصلی ترین موضوعات در تامین نور در فضاهای اداری و تجاری، بهره گیری از نور طبیعی است. آتریوم ها یا وید ها نور طبیعی را به فضاهای داخلی ساختمان ها هدایت میکنند. نور طبیعی و استفاده از آن برای روشنایی، یکی از اهداف استفاده از وید ها در ساختمان ها هستند. استفاده از گرمای نور خورشید در زمستان، استفاده از خاصیت بادخوانی و تهویه در آتریوم ها از دیگر مواردی است که استفاده از آتریوم ها را برای اهداف صرفه جویی انرژی مورد توجه قرار داده است. مولفه هایی در هرچه بیشتر کردن کارایی کاربرد آتریوم ها دارای اهمیت است. مکانیزم جداره های داخلی، نوع و فرم پوشش سقف آتریوم و شکل کلی این فضای خالی داخلی از جمله مواردی است که باید در طراحی بهینه وید ها مورد توجه قرار گیرد.روش های بهینه سازی مکانیکی که سال هاست در علوم تکنولوژی برای بهینه سازی مسایل چند پارامتری استفاده می شود به عنوان تکنیک مناسب این پژوهش دیده می شود. مدل های ایجاد شده با نگارش الگوریتم ها در افزونه گرس هاپر بصورت متناظر بر مسایل انرژی پرداخته که در این بین افزونه هانی بی به عنوان ابزاری کارا در جهت بررسی آسایش حرارتی استفاده می شود. سازوکار این تحلیل متغیر به سمت بهینه سازی مصرف انرژی و آسایش حرارتی بوده و قابلیت تغییر همزمان را در پیکره بندی فضاهای میانه داراست که طراحی پارامتریک را ممکن می سازد.
    کلیدواژگان: صرفه جویی انرژی، آسایش حرارتی، فضای میانه، الگوریتم بهینه سازی، انرژی
  • سعید وحیدی فر*، سجاد کلیدری صفحات 183-198
    با توجه به اهمیت پدیده های طبیعی در زندگی انسان، بررسی و مطالعه این پدیده ها همواره مورد توجه بوده است . هدف این مطالعه بررسی پدیده دودکشی است که در همه ساختمان ها اتفاق می افتد اگر چه در ساختمان های بلندمرتبه محسوس تر است. با توجه به اهمیت این پدیده در مصرف انرژی ساختمان های بلندمرتبه در این پژوهش این نوع ساختمان ها مورد مطالعه قرار گرفته است. به دلیل اهمیت تاثیر مقطع ساختمان ها در بروز و رفتار این پدیده، مقاطع بیضوی، مثلثی و مستطیلی با سطح یکسان مورد بررسی قرار گرفته و با مقایسه نتایج بدست آمده، مقاطع متفاوت ارزیابی و مقایسه شده اند. شبیه سازی این پدیده در نرم افزار فلوینت انجام گرفته و نتایج تحلیلی با عددی مقایسه شده است که تطابق خوبی را نشان می دهد. نتایج نشان می دهد مقطع بیضی گون با توجه به هندسه آن و شرایط آیرودینامیکی، بهترین عملکرد را از نظر میزان فشار اضافی لازم جهت ایجاد فشار مثبت و غلبه بر پدیده دودکشی و در نتیجه کاهش مصرف انرژی دارد.
    کلیدواژگان: پدیده دود کشی، آیرودینامیک ساختمان، بهینه سازی مصرف انرژی، مقطع هندسی ساختمان
|
  • Seyed Amir Hossien Akbari *, Yousef Javanshir Pages 7-25

    The limitation of global fossil fuel resources has had a significant impact in recent years. Iran wastes 570 million barrels of oil out of the allocated 1463 million barrels for the residential, industrial, and transportation sectors. The cement industry, as one of the high-energy consumers, accounts for approximately 14% of the country's industrial energy consumption, with about 40% of this energy being lost during production processes. This study aims to recover the waste heat from the cement industry using the Rankine cycle and simulate it using the Engineering Equation Solver (EES) software. Additionally, a thermal oil loop has been employed to prevent corrosion of heat exchangers and control the organic fluid evaporation process. Ethanol has been selected as the suitable working fluid, with a net power production capacity of 6213 kW, a thermal efficiency of 91.22%, and an exergy efficiency of 18.24%, outperforming R123, R1233zd(E), R1234ze(Z), and R600a. Increasing the turbine's inlet pressure by 100 kPa increases thermal and exergy efficiencies by 2.7% and 2.67%, respectively, while decreasing the mass flow rate into the evaporator by 5.6%. Increasing the condenser temperature by one degree results in approximately a 5.6% reduction in thermal efficiency and a 5.5% reduction in exergy efficiency.

    Keywords: cement industry, Waste heat recovery, Organic Rankine Cycle, climate change, thermal oil loop
  • Arash Nourbakhshsadabad, Afsouni Fatemeh, Seyyed Amirreza Abdollahi *, Mahdi Nami Khalilehdeh, Seyyed Faramarz Ranjbar Pages 27-40

    In this paper, the phenomenon of liquid drop penetration inside the porous medium is studied by the two-phase fluid volume method. Considering the importance of two-phase and multi-phase flows and achieving the least error in the simulation of this phenomenon, in this research, a model for simulating the two-phase flow of droplet penetration in porous media is proposed, the proposed model has more agreement with experimental results compared with other similar models available in literature, the improvement is the novelty of this paper. The behavior of drop penetration has been predicted by the fluid volume method. The effect of changes in surface tension, viscosity, contact angle, viscosity and permeability and drop spreading level in porous media have been investigated. When the contact angle of the drop is 60 and 20 degrees, the changes of the expansion level are almost the same. The speed of spreading and penetration of water drop without the presence of gravity with surface tension of 0.02 is less than the other two surface tensions of 0.001 and 0.0072, while with the presence of gravity, water droplet with surface tension of 0.001 spreads and penetrates more than the other two cases. The results showed that the fluid volume method used in this research was 9% more accurate than the network Boltzmann method based on the Chan and Shen method with the physics of the same problem compared to the experimental results.

    Keywords: Two-phase flow, fluid volume, droplet penetration, Porous medium, Droplet
  • Aref Khorammi, Amin Emamian, Amin Amiri Delouei * Pages 41-49
    In this study, the problem of falling a non-isothermal non-Newtonian droplet has been investigated numerically. The geometry of the problem is considered in three-dimensional form. The widely used power-law model (n=0.1) has been used to investigate the non-Newtonian behavior of the droplet. COMSOL software has been selected for the numerical simulation of motion and heat transfer of non-Newtonian droplets. The results of this research have been compared with previous similar works and have been successfully validated. The simulations show that considering the surface evaporation compared to the case without considering the surface evaporation can change the temperature of the droplet up to a significant amount of 10°C. Factors affecting surface evaporation, including fluid velocity and droplet temperature, have been investigated in detail. The results show that fluid velocity is the most important factor in changing the amount of surface evaporation of the droplet. By doubling the drop's velocity, its temperature drops by 8°C. Investigating the mechanism of movement and heat transfer of non-Newtonian drops can have significant applications in various processes used in printing, dyeing, and especially pharmaceutical industries.
    Keywords: Droplet falling, surface evaporation, Non-Newtonian power-law model, heat transfer, COMSOL
  • Mojtaba Sadeghian, Miralam Mahdi * Pages 51-65
    In this research, after examining the theoretical and experimental work done in the field of turbomolecular pumps, the simulation of the behavior of molecules in the free molecular flow between the stages of the turbomolecular pump, considering the effect of returning molecules from other stages, will be done. This simulation was done in the cylindrical coordinate system, using the test-particle Monte Carlo method and considering the real and three-dimensional geometry of the blade. Then the present work is validated and compared with experimental results and previous works. In the following, to investigate the effect of the blade angle in the middle and final stages of the turbomolecular pump, considering that three angles of 20, 15 and 10 degrees are mainly used in these stages, four different combinations of the aforementioned angles are presented for a five-stage turbomolecular pump. Finally, after examining the four combinations presented, it can be found that, for the middle and final stages of the turbomolecular pump, it should be done from different angles, emphasizing the 15 degree angle compared to the 20 and 10 degree angles and using less than the 10 degree angle in order to achieve the maximum comperation ratio and maximum flow rate.
    Keywords: Turbomolecular Pump, numerical simulation, Test-Particle Monte Carlo Method, returning
  • Vahid Bohlouri * Pages 67-76
    Improving the performance of satellite attitude control with reaction wheel actuator and considering the sensor noise in this article, robust optimization method has been used to reduce the effect of sensor noise on the performance of the satellite attitude control with reaction wheel actuator. In this regard, the mean absolute pointing error has been chosen as the main performance index. The optimization based on the genetic algorithm and the Monte Carlo method of successive iterations have been used to include the effect of noise and obtain the control coefficients. First-order dynamics have been used to model the reaction wheel, taking into account the practical limit of the maximum production torque. Also, a modified proportional-integral-derivative (PI-D) controller with a observer method has been used to control the satellite. Gaussian white noise is added to angular velocity and angular feedback signals after passing through a first order filter. To compare the results, the control coefficients for the same simulation conditions have been obtained for two approaches: robust optimization and deterministic optimization. The performance in terms of the noise power spectral density function has been investigated for two approaches. The comparative results show that the control system adjusted by the robust optimization method, its performance criterion is more resistant in the face of noise and has less changes, while the performance criterion of the deterministic optimization method has more changes in Exposure to noise. The results indicate the preference of using the robust optimization approach for the control system exposed to noise.
    Keywords: Spacecraft attitude control, Sensor Noise, robust optimization, Reaction wheel, Modified PID
  • Mehdi Boghrati * Pages 77-85

    Entropy generation confined flow around a block is studied according to the importance of a solid object’s cooling and heating process. In the current study, numerical simulation of laminar flow and heat transfer of nanofluids with nanoparticles of different shapes is considered—the nanofluids are water mixtures with either Al2O3 nanospheres or carbon nanotubes (CNTs). The incompressible Navier-Stokes and energy equations are solved numerically in a body-fitted coordinate system using a control volume technique. The flow patterns and temperature fields for different values of the particle concentrations are examined in detail. Furthermore, the effects of nanoparticle shape and concentration on heat transfer are studied. Furthermore, the influences of nanofluids on pressure drop and pump power are examined. On the other hand, the entropy generation minimization is considered as the optimization criterion. The results indicate that, in most cases, the nanofluids enhance the heat transfer and pressure drop. Interestingly, nanoparticles’ shape is critical in determining the fundamental mechanism of heat transport in nanofluids. Nanofluids with cylindrical nanoparticles exhibit a more significant heat transfer increase than nanofluids with spherical shape nanoparticles.

    Keywords: heat transfer, Entropy generation, channel with block, Nanoparticles, CNT, Al2O3
  • Amir Aghababaei *, Mohsen Badrossamay Pages 87-100
    Additive manufacturing methods have become very popular in recent years due to their many capabilities, including the optimal use of materials and their use in constructing complex structures. One of the most important methods in these processes is the selective laser melting (SLM) process. In previous research, measuring the residual stress distribution of Inconel 625 samples under the SLM process has not been investigated. Therefore, in this research, the SLM process was carried out on the Inconel 625 sample using the finite element simulation method, and then the residual stress distribution in the sample obtained from the process was investigated in three main directions. Also, the formation of the molten pool, its dimensions, and temperature distribution were investigated. The results showed that tensile residual stresses were formed in the center of the layer and compressive residual stresses were more present at the edges of the sample. Also, the maximum of the residual stresses were formed in the axial direction and their minimum appeared in the layer thickness direction. The results related to the effect of process parameters on the residual stress distribution showed that with increasing laser power, tensile and compressive residual stresses increase in both axial and hoop directions, but decreasing the scanning speed does not give us accurate information about the increase or decrease of these stresses. For validation, the results of the finite element method were compared with the results of other researchers. The obtained difference was 13.97%. Therefore a good agreement existed between them.
    Keywords: Additive Manufacturing, selective laser melting, Inconel 625, Residual Stress, Finite element simulation
  • Mohammad Reza Saberi, Amirmohammad Ghandehariun *, Ehsan Naghashzadeh Pages 101-113
    In the decade, with the development of technology and the increase in the human factor, we have seen the growth of the use of energy resources in the world. The transportation industry, including land, sea and air, has the highest energy consumption coefficient in the world. the development and of the above-in most regions of the world, problems such as the increase in the temperature of the earth and the nature of climate changes and the increase in environmental pollution have occurred. This phenomenon has drawn attention to the use of sustainable and environmentally friendly energy sources. In the current research, using the method of examining sustainable development criteria, the reliability and comparison of the three fuels diesel, biodiesel and hydrogen for internal combustion engines have been investigated. This method is a useful tool for comparing and improving energy-based systems, which includes three main environmental, social and technological indicators and a total of 30 sub-indices. The score of each index indicates the level of compatibility of the examined process in the scope of that index. So that every element or process that has more reliability gets more points. , points are between 0 and 1. The evaluation indicators of this method include issues such as effectiveness, production costs (extraction, processing, transportation) and environmental pollution of each fuel. The results of this research provide an effective approach to compare the sustainable development capacity of the fuels used in diesel and, as a result, the development of economical and environmentally friendly fuels.
    Keywords: climate change, sustainable energy sources, sustainable development criteria, sustainability review
  • Fatemeh Eshtavad, Ali Hassani *, Shahrzad Rahmani Pages 115-132
    This research investigates the creep phenomenon of a polymeric rotating disk using the generalized Maxwell’s visco-hyperelastic model. After extracting the Lagrangian partial differential equation of equilibrium governing the problem, the rotating disk was analyzed by scripting in FlexPDE. The disk modelling in ANSYS with coding in the APDL environment showed that the radial displacement and Von-Mises stress are in excellent agreement with the FlexPDE results. The advantages of FlexPDE over ANSYS include one-dimensional analysis of axisymmetric plane stress instead of two-dimensional analysis, reduction of computational cost, possibility of defining variable thickness (without additional coding) and need for fewer elements in the radial direction to achieve acceptable accuracy (necessity of using 20 elements in FlexPDE compared to 100 elements in ANSYS). It was shown that with the passage of time and the increase in angular velocity, the radial displacement and Von- Mises stress of the rotating disk due to the creep phenomenon increase. It was shown that by increasing the angular velocity and decreasing the power in the thickness profile n_h, the displacement and Von-Mises stress at a specific time increase, but the change in angular velocity (as the applied load) and the change in parameter n_h (as a geometric characteristic) do not have much effect on the relaxation time of the rotating disk.
    Keywords: Creep, Generalized Maxwell model of visco-hyperelasticity, Non-uniform polymeric rotating disk, FlexPDE, ANSYS APDL
  • Mohammad Meskini, Mostafa Livani *, Mohammad Hosein Habibi Pages 133-144

    In this study, the effect of material imperfection on the free vibration response of perfect and imperfect FG plate is studied. A new hyperbolic shear deformation function is presented in this paper. The new hyperbolic function is chosen in such a way that the degree of the function is reduced as much as possible, despite the sufficient accuracy, so that the calculation speed is greatly reduced. The properties of the FG plate varied along the thickness according to power law. The material composition in production process cannot be completely in accordance with the expected pattern, which leads to the production of imperfect FG material. The governing differential equations are derived using the Hamilton’s principle. The obtained equations were solved using the Navier method with simple boundary conditions. The effects of important geometric and mechanical parameters of perfect model and two types of imperfect model, including length to thickness ratio, length to width ratio, wave number and power-law exponent on natural frequency response of imperfect FG plate are investigated. To verification, the analytical results obtained in this study are compared with the results presented in the literature, and in this comparison, a good agreement was obtained, which shows the correctness theory, deriving and solving equations.

    Keywords: Free vibration, Imperfect FGM, New hyperbolic theory, Hamilton&rsquo, s Principal, Navier method
  • Mojtaba Esmailian *, Farzad Boroumand Pages 145-156
    The purpose of this research is thermal analysis of a brushless permanent magnet motor with marine application. The advantages of brushless permanent magnet motors are creating high torque and power in proportion to their weight and size. But this issue leads to a large increase in engine temperature. Therefore, the design of the cooling system is essential for cooling and reducing the temperature of this engine. The engine has been thermal analyzed first without cooling system and then with different cooling systems. For the purpose of thermal analysis, the stator and the shell were first modeled and then simulated. The engine has been thermally analyzed first without cooling system and then with different cooling systems. In order to check the effect of the cooling system and choose an optimal and suitable cooling system for this engine, the maximum temperature in different cooling systems with the number of 4, 8 and 12 holes, the diameter of the holes various 3, 4 and 5 mm diameters and circular and oval cross-sections have been compared with each other and with the state without cooling system. The results showed that the temperature of this engine reaches about 416 ̊c without cooling system. Also, the cooling system with 8 circular 4 mm holes has been introduced as the most suitable cooling system for this engine.
    Keywords: Brushless DC Motor, cooling system, Thermal analysis, Sea water
  • Saeed Vahidifar *, Sadegh Farahi Pages 157-166
    It Is Important to Prevention of Freezing of Water in Fire fighting System in Building on Winter Season. For This Reason Dry Sprinkler Systems Is Used .In This Method Instead of Water, Air or Nitrogen Is Used on System.When Bulb Burst Pressure Drop Occurs on System and Fire Pump Infuse Water to Systems and so According to Standard, Water Should be Reach to Furthest Sprinkler in Specific Time. Nowadays this Time It Is not Satisfied and not Cconsonant with Standards of Fire Fighting Systems. In This Research with Using Fluent Soft Ware and Increasing Air Volume in System and Changing on the Structural of the Sprinkler and Nozzle Angel, with Increasing Air Speed Outlet, Time of Discharge Water to Furthest Consumer Decrease . Results Show with Change of Angel the Converge Angel to 60 and the Diverge Angel to 15 Instead of Standard Tyco manufacturing Speed of Air in Outlet Sprinkler 60 Percentage Increased.
    Keywords: Dry Pipe Systems, Converge, Diverge Nozzle, Super Sonic Flow
  • Ehsan Kafash *, Seyyed Mahdi Madahi, Iman Mirshojaeeian Pages 167-182
    One of the main issues in providing light in office and commercial spaces is the use of natural light. Atriums or voids direct natural light to the interior spaces of buildings. Natural light and its use for lighting are one of the purposes of using windows in buildings. The use of sunlight heat in winter, the use of wind reading and ventilation in atriums are other cases that have taken into consideration the use of atriums for energy saving purposes. Components are important in increasing the efficiency of the use of atriums. The mechanism of the internal walls, the type and form of the atrium roof cover and the general shape of this empty internal space are among the things that should be considered in the optimal design of the spaces.Mechanical optimization methods, which have been used in technological sciences for many years to optimize multi-parameter problems, are seen as a suitable technique for this research. The models created by writing the algorithms in the Grass Hopper plug-in correspondingly deal with energy issues, among which the Honey Bee plug-in is used as an efficient tool to investigate thermal comfort. The mechanism of this variable analysis is towards optimization of energy consumption and thermal comfort, and it has the ability to simultaneously change the configuration of the middle spaces, which makes parametric design possible.
    Keywords: Energy Saving, Thermal Comfort, Middle space, Optimization algorithm, Energy
  • Saeed Vahidifar *, Sajad Kalidari Pages 183-198
    Due to the importance of natural phenomena in human life, investigation and study of these phenomena has always been of interest. The aim of this study is to investigate the stack effect that occurs in all buildings, although it is more noticeable in high-rise buildings. Due to the importance of this phenomenon in the energy consumption of high-rise buildings, in this research, these types of buildings have been studied. Due to the importance of the influence of the cross-section of buildings on the occurrence and behavior of this phenomenon, therefore, elliptical, triangular and rectangular cross-sections with the same surface have been examined and by comparing the results, different cross-sections have been evaluated and compared. The simulation of this phenomenon has been done in Fluent software and the analytical results have been compared, which shows a good match. The results show that the elliptical cross-section, according to its geometry and aerodynamic conditions, has the best performance in terms of the amount of additional pressure required to create positive pressure and energy consumption.
    Keywords: Stack Effect, Building Aerodynamic, Energy efficiency, building geometry cross