فهرست مطالب

مهندسی مکانیک - سال چهل و سوم شماره 2 (پیاپی 66، پاییز و زمستان 1392)

مجله مهندسی مکانیک
سال چهل و سوم شماره 2 (پیاپی 66، پاییز و زمستان 1392)

  • تاریخ انتشار: 1393/02/12
  • تعداد عناوین: 7
|
  • یونس بخشان، رضا هنرخواه*، جمشید خورشیدی صفحات 1-12
    در این مقاله یک پیل سوختی غشاء پلیمری با استفاده از مدل یک بعدی، پایا و همگن مورد مطالعه قرار گرفته است. در ابتدا معادلات حاکم بر صفحه توزیع گاز و لایه نفوذ گاز استخراج و افت های اهمی و میزان انتقال اکسیژن در آن مدل سازی شده و در ادامه میزان انتقال اکسیژن در لایه کاتالیست کاتد که کلیدی ترین بخش پیل سوختی است با استفاده از روش همگن مدل سازی می شود و معادلات دیفرانسیل حاکم بر لایه کاتالیست کاتد استخراج شده و با استفاده از یک کد کامپیوتری در زبان برنامه نویسی MATLAB حل می شود و از آن افت فعالسازی بدست می آید و در ادامه میزان افت اهمی در غشا پلیمری و همچنین افت غلظت نیز با استفاده از یکسری فرضیات مهندسی مدل سازی می گردد. سرانجام با استفاده از تمامی افت ها، ولتاژ کلی پیل سوختی محاسبه و منحنی ولتاژ خروجی پیل رسم شده و مقایسه نتیجه حاصله از این تحقیق با نتایج تجربی صحت مدل سازی این پیل را نشان می دهد. همچنین مطالعات کمی جهت بررسی تاثیر یکسری از پارامترهای طراحی مانند ضریب تخلخل لایه نفوذ گاز، میزان اشباع شدگی لایه نفوذ گاز، ضخامت لایه نفوذ گاز، میزان بارگذاری پلاتین بر واحد سطح لایه کاتالیست کاتد، میزان نفوذ غشاء در لایه کاتالیست کاتد و میزان اشباع شدگی لایه کاتالیست کاتد بر ولتاژ و افت فعال سازی پیل سوختی مورد بررسی و تحلیل قرار می گیرد. نتایج نشان می دهد تاثیر میزان اشباع شدگی لایه کاتالیست کاتد نسبت به سایر پارامترها بر کارایی پیل بیشتر است.
    کلیدواژگان: صفحه توزیع گاز، لایه نفوذ گاز، لایه کاتالیست کاتد، غشاء پلیمری، افت فعالسازی، ولتاژ پیل سوختی
  • مصطفی بهره مندی*، سیدعلی میربزرگی صفحات 13-20
    جریان های نیرو محرک داخلی که در آنها نیروی محرک جریان در هر مقطع عرضی کانال، توزیع کاملا یکنواختی دارد، در سرتاسر کانال، یک میدان سرعت توسعه یافته ای را ایجاد می کنند. حتی اگر نیروی محرک فقط بر بخش معینی از طول کانال اعمال شود، پروفیل های سرعت مشابه جریان فشار محرک همه جا سهمی گون هستند. لذا می توان نیروی محرک حجمی را ابتدا به طور مجازی حذف کرده و به جای آن از یک گرادیان فشار ثابت معادل در سراسر کانال استفاده نمود. در این صورت، اگرچه توزیع فشار واقعی با یک توزیع فشار خطی، معادل و جایگزین می شود اما پروفیل سرعت حاصله تغییری نخواهد کرد. مزیت چنین کاری این است که حل سه بعدی معادلات را می توان به حل دو بعدی (با معادله ی پواسون) برای مقطع عرضی کانال تبدیل نمود. به علاوه با این جایگزینی، می توان میدان های سرعت و فشار در شبکه ای از کانال های بهم متصل را به راحتی محاسبه نمود. از دیگر کاربردهای این ساده سازی، حل معادلات مومنتوم در جریان های داخلی MHD است، چراکه در جریان های MHDنیز، نیروی حجمی لورنتز به خصوص در کاربرد های میکرونی نظیر میکروپمپ ها می تواند با تقریب خوبی در سطح مقطع کانال، یکنواخت تلقی شود. مقایسه ی نتایج حاصل از این روش جدید حل، با نتایج حاصل از حل سه بعدی، نشان می دهد که روش حاضر می تواند به خوبی در حل میدان سرعت و فشار در شبکه های میکروسیالی بکار رود و هزینه های سنگین تحلیل های سه بعدی را کم نماید.
    کلیدواژگان: جریان دیناموهیدرومغناطیسی، جریان کاملا توسعه یافته، جریان نیرومحرک داخلی، میکروپمپ MHD، نیروی لورنتز
  • محمدحسن جوارشکیان*، علی اسماعیلی صفحات 21-30
    استفاده از مواد هوشمند در هیدروفویل ها می تواند باعث افزایش بازده قایق های تندرو گردد. هدف از این تحقیق، توسعه و شبیه سازی جریان حول هیدروفویل هوشمند و مقایسه آن با هیدروفویل معمولی است. سپس اثر عمق غوطه وری (h/c) و زاویه بالچه (AOF) و عدد فرود (Fr) مورد مطالعه قرار می گیرد. همچنین موج ایجاد شده در سطح آزاد توسط این دو نوع هیدروفویل با هم مقایسه شده و اثر هوشمندسازی بر طول موج و دامنه نوسان این امواج به ازای عمق غوطه وری مختلف بررسی می شود. برای شبیه سازی بالچه هوشمند نیز پروفیل خمشی تیر یک سر گیردار تحت بارگذاری غیر یکنواخت در نظر گرفته شده، به طوری که به خوبی می تواند رفتار مواد هوشمند را مدل کند. همچنین در شبیه سازی عددی از روش ضمنی فشار مبنا برای حل معادلات ناویر-استوکس و از مدل حجم سیال (VOF) برای شبیه سازی دو فاز آب و هوا بهره گرفته شده است. نتایج حاصل نشان می دهند که مواد هوشمند سبب افزایش نسبت برآ به پسا (L/D) بیشتری در هیدروفویل هوشمند می شوند و در مقایسه با هیدروفویل های معمولی عملکرد مناسب تری دارند.
    کلیدواژگان: مواد هوشمند، ضرایب هیدرودینامیکی، هیدروفویل، موج، تروکوئید
  • شهرام درخشان*، سیدنعمت الله کساییان صفحات 31-40
    توربین های محوری با توجه به ارتفاع کم و دبی زیاد کاری، توانایی به کارگیری زیادی در کشور ما دارند. بخصوص در ظرفیت های کم و بصورت تولید پراکنده و مجزای شبکه. در این مقاله یک توربین محوری که محدوده ی دبی 50 لیتر در ثانیه تا 150لیتر در ثانیه را پوشش می دهد، طراحی شده است که برای ارتفاع های بین 2 تا 5 متر، مناسب می باشد. طراحی اولیه با تدوین نرم افزاری انجام شد به شکلی که با دادن ارتفاع و دبی آب به عنوان ورودی برنامه، خروجی های مورد انتظار مانند قطرهای هاب و پوسته گرفته شود، این نرم افزار، زوایای ورودی و خروجی و بسیاری از متغیرهای لازم برای رسم هندسه ی چرخ توربین محوری را نمایش داده و قادر است شکل سه بعدی چرخ را در نرم افزار CATIA نمایش دهد. در مرحله بعدی، برای اطمینان پیدا کردن از طراحی اولیه توسط نرم افزار تجاری Numeca با یک روش تایید شده توسط داده های تجربی برای یک هندسه ی مشابه، شبکه بندی و شبیه سازی انجام گردید. نتایج شبیه سازی بازده ی مناسبی را برای توربین محوری نشان ندادند، بنابراین در مرحله ی سوم، به منظور بهبود بازدهی ماشین، بهینه سازی هندسه ی چرخ با استفاده از الگوریتم ژنتیک و شبکه های عصبی انجام شد که منجر به افزایش 15% در بازده گردید.
    کلیدواژگان: توربین محوری، بهینه سازی، نیروگاه آبی کوچک، الگوریتم ژنتیک
  • مجتبی دهقان*، فتح الله قدس صفحات 41-49
    در این تحقیق 13 گذر فرآیند نورد تجمعی(ARB)، بر ورق آلومینیومAA1050 انجام و تغییرات ریزساختار ورق تا دستیابی به دانه های نانومتری بررسی شده است. همچنین با انجام آزمون کشش تک محوری در جهت نورد(RD)، جهت عرضی(TD) و زاویه ی o45 نسبت به جهت نورد، تغییرات استحکام و میزان ازدیاد طول ورق طی گذر های مختلف فرآیند اندازه گیری و میزان ناهمگنی خواص در این سه جهت مورد بررسی قرار گرفته است. با افزایش گذر های فرآیند استحکام کششی ورق افزایش می یابد، اما ازدیاد طول قطعه پس از یک کاهش سریع در گذر اول، در گذر های بعدی با نرخ بسیار کمی افزایش می یابد. همچنین با انجام فرآیند نورد تجمعی میزان ناهمگنی خواص مکانیکی در قطعه افزایش می یابد.
    کلیدواژگان: فرآیند نورد تجمعی(ARB)، آلومینیوم خالص تجاری، نانوساختار، استحکام، درصد ازدیاد طول، ناهمگنی خواص
  • رضا ابراهیمی*، علی ملکی صفحات 53-57
    در ابن مطالعه، آزمایش هایی بر روی یک موتور چهار سیلندر اشتعال جرقه با سوخت گاز طبیعی انجام شده و تغییرات دوره به دوره قله فشار و زاویه قله فشار در موتور، برای نه نسبت هم ارزی مختلف بررسی شده است. با استفاده از تکنیک آنتروپی چند مقیاسی نشان داده شده است که پیچیدگی قله فشار و زاویه قله فشار به تغییرات نسبت هم ارزی های مختلف وابسته می باشد. به این ترتیب محدوده ای برای نسبت هم ارزی مطلوب پیدا شده که می تواند برای کنترل فرایند احتراق و بهبود عملکرد موتور استفاده شود.
    کلیدواژگان: موتور، نسبت هم ارزی، آنالیز پیچیدگی، آنتروپی چند مقیاسی
  • احمد صداقت، محمدعلی بدری* صفحات 59-70
    کاربرد نیروهای لورنتز ناشی از میدان های الکترومغناطیس در کنترل جریان روش مناسب و مورد توجهی می باشد. این نیرو در فرآیند حل عددی به صورت جمله های چشمه به معادلات حرکت سیال اضافه می شود. با این پدیده، مدلسازی عددی جریان فرو صوت با عدد ماخ 2/0 برای رژیم آشفته توسط روش حجم محدود TVD و با پیشروی زمانی ضمنی برای حل معادلات دو بعدی تراکم پذیر ناویر-استوکس جریان سیال و با مدل آشفتگی بالدوین-لومکس در اطراف ایرفویل ها به منظور کنترل اثرهای ناخواسته جدایش انجام شده است. به کارگیری نیروی لورنتز نشان داده است که جدایش جریان روی ایرفویل NACA0015 به تاخیر افتاده یا حذف شده و کارآیی هیدرو دینامیکی آن افزایش می یابد. با اعمال کنترل بر ایرفویل به کمک نیروی لورنتز، ضریب برا افزایش یافته و ضریب پسا تغییر چندانی ننموده است. این امر به افزایش زاویه وامانش منتهی گردیده است.
    کلیدواژگان: نیروی لورنتز، روش عددیTVD، MHD، ضریب مومنتم مغناطیسی
|
  • Y. Bakhshan, R. Honarkhah, J. Khorshidi Pages 1-12
    In this paper, a polymer membrane fuel cell using a one-dimensional, steady and homogeneous model has been studied. The governing equations of bipolar plate and gas diffusion layer are derived initially and ohmic losses and the rate of oxygen transfer are modeled. The oxygen transfer rate in the cathode layer is modeled using a homogeneous method. Differential governing equations of cathode catalyst layer are solved using a MATLAB code. The ohmic loss in the membrane polymer and also the concentration loss are modeled using some engineering assumptions. Finally, using all losses, the total voltage of fuel cell is calculated and voltage curves are plotted. comparison of obtained results with the experimental results show the validity of the model. Also, parametric studies to consider the effect of parameters such as, porosity coefficient of gas diffusion layer, saturation of gas layer, gas diffusion layer thickness, the amount of platinum mass on the surface of cathode layer, the degree of membrane penetration in catalyst layer, and the degree of saturation at the cathode catalyst layer on the fuel cell performance and its efficiency have been conducted. The results show that the degree of saturation in the cathode catalyst layer has the most effect on the activation losses of fuel cell and its performance.
    Keywords: Bipolar plate, Gas diffusion layer, Cathode catalyst layer, Polymer membrane, Activation loss, Fuel cell voltage
  • M. Bahremandi, S. A. Mirbozorgi Pages 13-20
    Internal-force-driven flows in which the force acting on channel cross sections have a perfect uniform distribution create a fully-developed velocity field. Even if the driving force is inserted on a part of channel, the velocity profiles are parabolic. In this situation, firstly the driving force with non-uniform axial distribution can be removed temporarily and then one can use an equivalent pressure gradient alternatively throughout the channel. In this case, although the distribution of pressure gradient and the driving force change but the resulting velocity profiles remain unchanged. The main advantage of this replacement is that the solution of the equations in the 3-D geometries can be converted to a 2-D solution using Poisson equation in the channel cross section. After determining the velocity distribution in the cross section, one can inversely calculate the actual pressure distribution easily. This will be done by resuming the real axial force. One of the applications of this simplification is that the simulation of MHD channel flows can be carried out easily. Good agreement between the results of the new solution method and the results of the perfect solutions shows that the present method with enough accuracy can be used for prediction of velocity and pressure fields in microfluidic networks and can be reduced the heavy costs of 3-D analysis.
    Keywords: Fully, developed flow, Lorentz force, Magnetohydrodynamic flow, MHD channel flow, MHD micropump
  • M. H. Djavareshkian, A. Esmaeili Pages 21-30
    Using of smart materials in hydrofoils increases the efficiency of high-speed boats. The aim of this paper is development and simulation of flow around the smart hydrofoil and comparison of it with the conventional ones. Then, the effect of submerge distance (h/c), angle of flap (AOF) and Froude number (Fr) is studied. The free surface waves, generated by two types of hydrofoils, will be compared with together and the smart martial influence on the wavelength and amplitude is investigated for different submerge distance. To simulate the smart flap behavior, a parametric bending profile of a cantilever beam under a non-uniform load is considered so that it can simulate the smart martial treat very well. Moreover, a pressure-based implicit procedure is applied to solve the Navier-Stokes equations and Volume of Fluid (VOF) model is also utilized to simulate air and water. Phases. Results demonstrate that the smart hydrofoils increase the lift to drag ratio (L/D) when compares with the conventional hydrofoils; finally, they have a suitable efficieney against the conventional ones.
    Keywords: Smart Materials, Hydrodynamic coefficients, Hydrofoil, Wave, Trochoid
  • Sh Derakhshan, N. Kasaeian Pages 31-40
    Axial turbines can be applied in our country for low heads and high flows, especially in off- grid low capacities. In this research, an axial turbine was designed for flow ranged between50 l/s to 150l/s and for 2 to 5 meters of head. Firstly, primer design software was established to calculate all required geometrical parameters of turbine. Indeed, this software is able to show the 3D shape of runner in CATIA. In the next step for evaluation of design, turbine was simulated by Numeca using a verified numerical method by experimental data for a similar geometry. Simulation results did not show a suitable efficiency for axial turbine. Therefore, to improve the performance of machine, runner shape was optimized by genetic algorithm and neural network. Final geometry had 15% more efficiency than the initial one.
    Keywords: Axial turbine, Optimization, Micro hydro power, Genetic algorithm
  • M. Dehghan, F.Qods Pages 41-49
    In this research, 13 passes of accumulative roll bonding (ARB) process is performed on A 1050 sheets. The microstructural evolution to access of grains with nanometer size during ARB process is investigated. Moreover, the change in strength and elongation of the sheets during the cycles of process is studied by uniaxial tensile test in 3 directions (rolling direction (RD), transverse direction (TD) and at an angle of 4 owith respect to RD); and then the inhomogeneity of mechanical properties in these directions is investigated.The tensile strength of sheet is increased by increasing the number of ARB cycles.The elongation of specimen is decreased rapidly at the first cycle of ARB; and it is subsequently increased gradually.The inhomogeneity of mechanical properties of specimen is increased by performing the ARB process.
    Keywords: Accumulative roll bonding (ARB) process, Commercial purity $luminium, Nanostructure, Strength, Elongation, Properties inhomogeneity
  • R. Ebrahimi, A. Maleki Pages 53-57
    In this study, a number of tests are conducted on a four-cylinder spark ignition engine with natural gas and the cycle to cycle variations of peak pressure max P and peak pressure angle Pmax  in the engine are analyzed for nine different equivalence ratios. By using multi scale entropy technique, it is shown that the complexity of peak pressure and peak pressure angle depends on the equivalence ratio variations. Thereby, a limitation is found for optimum equivalence ratios that can be used for controlling the combustion process and improving engine performance.
    Keywords: Engine, Equivalence Ratio, Complexity Analysis, Multi Scale Entropy
  • A. Sedaghat, M. A. Badri Pages 59-70
    Using Lorentz forces under effects of electro-magnetic fields for flow control is a suitable procedure. Lorentz forces may be added as a source term in the governing fluid flow equations. For this phenomenon, the numerical modeling of subsonic flow with the Mach number of 0.2 for turbulent flow regime using a finite-volume TVD scheme with implicit time marching for solving the two-dimensional compressible Navier Stokes flows and the Baldwin-Lomax turbulence model around aerofoils are investigated to control undesirable effects of flow separation. By using Lorentz forces, it was shown that the separation was delayed or avoided over NACA0015 aerofoil and hydrodynamic performance was enhanced. Employing flow control using the Lorentz force, the lift coefficient was increased and the drag coefficient was not changed, considerably. Hence, the stall angle was increased.
    Keywords: Lorentz Force, MHD TVD numerical method, Magnetic momentum coefficient