فهرست مطالب
مجله مهندسی مکانیک شریف
سال سیام شماره 2 (پاییز و زمستان 1393)
- تاریخ انتشار: 1394/02/31
- تعداد عناوین: 14
-
-
صفحات 3-13بخار آب در طبقات کم فشار توربین دارای فاز مایع است و این جریان دوفازی در نازل به صورت ریاضی مدل سازی می شود. هدف اصلی این مقاله بررسی میزان اهمیت معادله ی حالت و خواص ترموفیزیکال بخار در شبیه سازی بهتر جریان دوفازی مافوق صوت است. در این تحقیق معادله ی حالت ویریالی وکالویچ و خواص بخار وابسته به آن با معادلات حالت و خواص ترموفیزیکال بخار در جدول بخار A S M E)2006(برای اولین بار مقایسه می شود. معادلات دیفرانسیلی اصلی دینامیک گاز جریان با به کارگیری معادلات جوانه زایی و رشد قطرات براساس معادلات حالت و خواص ترموفیزیکال از دو مرجع فوق الذکر، با استفاده از روش عددی رانگ کوتا حل شده و نتایج حاصل از آن با داده های آزمایشگاهی نسبت فشار و قطر قطره مقایسه شده است. طبق نتایج حاصله، در فشار و دمای سکون ورودی کم تر از 1٫5 بار و 400 درجه کلوین، معادلات پیشنهادی جدول بخار A S M E سال 2006 آب تایید می شود.
کلیدواژگان: جریان دوفازی، معادله ی حالت، بخار مافوق سرد، جوانه زایی، حالت فوق اشباع -
صفحات 15-20یکی از موارد بازیابی انرژی، استفاده از حرارت گاز خروجی از توربین گاز است. «بویلر بازیاب حرارت» تجهیزی است که بازیابی حرارتی را در این کاربردها انجام می دهد. افت فشار گاز داغ عبوری از بویلر بازیاب سبب افت قدرت در توربین گاز می شود. لذا در این مطالعه پارامترهای طراحی بویلر بازیاب ٓازجمله پارامترهای ترمودینامیکی و هندسیٓ به عنوان پارامترهای تصمیم و با هدف افزایش قدرت توربین گاز در سیکل ترکیبی بهینه شده اند. در این تحقیق، به منظور بررسی تاثیر بهینه سازی بر عملکرد بویلر بازیاب، به مقایسه ی میزان حرارت تبادل شده، سطح انتقال حرارت مورد نیاز و بازده اکسرژی بویلر بازیاب در دو حالت پایه و بهینه ی طراحی پرداخته ایم. نتایج نشان می دهد که افت قدرت توربین گاز در حالت بهینه ی طراحی نسبت به قدرت نامی توربین گاز به صورت تنها، حدود 1 درصد است و نسبت به حالت پایه ی طراحی، که حدود 5 درصد است، بهبود یافته است.
کلیدواژگان: توربین گاز، بویلر بازیاب حرارت، افت فشار گاز، تابع هدف -
صفحات 21-29در تحقیق حاضر، پتانسیل نصب توربین باد در سه ایستگاه خاش، لوتک و نصرت آباد در استان سیستان و بلوچستان بررسی شده است. این مطالعه با استفاده از داده های بادی، شامل سرعت و جهت باد در ارتفاع های 10، 30 و 40 متر در فواصل زمانی 10 دقیقه در طول سال انجام گرفته است. دانستن «توزیع فراوانی سرعت باد» عاملی بسیار مهم برای ارزیابی بادخیزی یک منطقه است. برای این منظور، در این تحقیق از تابع توزیع ویبول که در مطالعات بادی پرکاربرد است بهره گرفته ایم. میانگین سرعت باد و چگالی توان متوسط ماهیانه در سه ایستگاه و ارتفاع های مختلف بررسی شده نشان می دهد که ایستگاه خاش و نصرت آباد برای نصب گسترده ی توربین بادی مناسب نیستند، اما برای استفاده ی محلی از انرژی باد برای به کارگیری سیستم های الکتریکی و مکانیکی بسیار مناسب اند. ایستگاه لوتک نیز از پتانسیل بسیار بالایی برای نصب مزرعه ی بادی برخوردار است.
کلیدواژگان: انرژی باد، توزیع ویبول، سیستان و بلوچستان، گلباد، توربین باد -
صفحات 31-38در این مقاله ضریب انتقال حرارت جابه جایی محلی در جت برخوردی شیاری با استفاده از دماهای اندازه گیری شده در صفحه ی برخورد و روش انتقال حرارت هدایتی معکوس تخمین زده شده است. روش معکوس استفاده شده در این مقاله روش دنباله یی تخمین متوالی توابع بک است. در این مطالعه تاثیر پارامترهای مهمی مانند گام زمانی، پارامتر تنظیم، مقدار شار حرارتی تولیدی هیتر، ضخامت صفحه ی برخورد، تعداد ترموکوپل ها در نتایج بررسی شده است. برای تخمین دقیق تر ضریب انتقال حرارت جابه جایی یک سری شبیه سازی های عددی انجام شده تا مقدار بهینه ی پارامترهای اثرگذار در این روش با توجه به خطای بایاس و واریانس و مجذور میانگین مربع خطا تعیین و آزمایش بهینه طراحی شود. مشاهده می شود که با استفاده از این روش با توجه به ساده و ارزان بودن آن، ضریب انتقال حرارت جابه جایی با دقت خوب و با خطای کمی تخمین زده شده است.
کلیدواژگان: جت برخوردی شیاری، ضریب انتقال حرارت جابه جایی، روش انتقال حرارت معکوس -
صفحات 39-46در این نوشتار برای هر سه ناحیه از برج خنک کن مرطوب با جریان مخالف، مدل های ریاضی معتبری به منظور شبیه سازی عددی دقیق تر ٓنسبت به مطالعات پیشینٓ و بررسی عملکرد حرارتی آن ارائه شده است. اثر ضریب لوییس بر مشخصه های عملکردی برج خنک کن مرطوب همچون تلفات آب، دمای خشک هوای خروجی، دمای آب خروجی و نرخ دفع گرما در محدوده ی وسیعی از شرایط آب و هوایی، از حالت خشک تا اشباع و برای دو دمای خشک{$10^0r m{C}$ و {$40^0{r m{C}$، برای هوای ورودی بررسی شده است. هوا در ضرایب کوچک تر لوییس بسیار سریع تر اشباع می شود و به این دلیل نرخ تلفات آب برای ضرایب کوچک تر لوییس، مقدار بیشتری است. افزایش ضرایب لوییس به دلیل بزرگ تر شدن نرخ انتقال حرارت جابه جایی باعث افزایش نرخ دفع گرما، کاهش دمای آب خروجی و افزایش دمای هوای خروجی می شود. اگر هوای ورودی نسبتا گرم و مرطوب باشد، اثر ضریب لوییس بر مشخصه های عملکردی برج نامحسوس خواهد بود.
کلیدواژگان: برج خنک کن مرطوب، شبیه سازی عددی، اثر ضریب لوییس، مشخصه های عملکردی، نواحی افشانه و باران -
صفحات 47-56در این نوشتار رفتار خمیری پوسته ی استوانه یی مخروطی جدار نازک تحت فشار استاتیکی داخلی، مورد تحلیل قرار گرفت. از مدل صلب خمیری کامل برای رفتار مادی سازه، و از سطح تسلیم مستطیلی معمول ٓشامل{$N_{v a r p h i$ و {$M_{t h e t a $ٓ برای معیار تسلیم استفاده شده است. سه سازوکار کلی برای فروریزش پوسته شامل فروریزش مخروطی، فروریزش با دو لولای خمیری و فروریزش با سه لولای خمیری در نظر گرفته می شود که براساس هندسه ی سازه، یکی از این سه حالت در هنگام فروریزش رخ می دهد. در نتایج، نمودار تغییرات فشار فروریزش سازه نسبت به تغییرات طول استوانه یا طول مخروط آمده است. سازوکار فروریزش به ازای تغییر طول استوانه و یا مخروط تغییر می کند به گونه یی که فشار فروریزش سازه به مقادیر مجانبی خود)فشار فروریزش سازه کاملا استوانه یی یا کاملا مخروطی(نزدیک می شود.
کلیدواژگان: پوسته ی استوانه و مخروط ناقص، حل استاتیک خمیری، فشار فروریزش داخلی -
بررسی سرعت زاویه یی بیشینه ی مجاز استوانه ی مدرج تابعی دوار، با درنظر گرفتن تغییراتچگالی و تنش تسلیمصفحات 57-65در این مطالعه سرعت زاویه یی بیشینه ی مجاز استوانه ی مدرج تابعی دوار، بر پایه ی نظریه ی تغییر شکل های کوچک در حالت کرنش صفحه یی بررسی شده است. مدول کشسانی، چگالی و تنش تسلیم به صورت تابع توانی از مختصه ی شعاعی فرض شده اند. سرعت زاویه یی بیشینه ی مجاز استوانه، سرعت متناظر با لحظه ی شروع تسلیم براساس معیار تسلیم ترسکا معرفی شده است. برای حالت خاصی که پارامترهای توان یکسان باشند، تنش های بی بعدشده رسم، و نشان داده شده است که همواره تنش محیطی بزرگ ترین و تنش شعاعی کوچک ترین مولفه ی تنش است. آنگاه اثر پارامترهای توان، به ویژه اثر تغییر چگالی و تنش تسلیم، برسرعت زاویه یی بیشینه ی مجاز بررسی شده است. نتایج نشان می دهد در نظر گرفتن تغییرات چگالی و تنش تسلیم در راستای شعاع اثر قابل توجهی بر چگونگی شروع تسلیم و درنتیجه بر سرعت زاویه یی بیشینه ی مجاز دارد. در نظر گرفتن اثر تغییر چگالی بر رفتار استوانه ی مدرج تابعی دوار، تازگی دارد و در پژوهش های پیشین بررسی نشده است.
کلیدواژگان: مواد مدرج تابعی، استوانه ی توخالی دوار، معیار تسلیم ترسکا، سرعت زاویه یی بیشینه ی مجاز -
صفحات 67-74تحلیل های ارائه شده در زمینه ی ضربه ی کم سرعت، عموما به سازه های ساخته شده از مواد همسان گرد یا کامپوزیت)به ویژه، با همسان گردی عرضی(تعلق داشته است. از سوی دیگر، در این مدل ها تنها سختی سطح در معرض ضربه در نظر گرفته شده و اثر سختی لایه های زیرین در پاسخ های ضربه نادیده گرفته شده است. در برخی دیگر از مقالات موجود، از خطی سازی قانون تماس استفاده شده است. در پژوهش حاضر تلاش شده است تا ضمن گسترش تحلیل های یادشده به ورق های دارای ساختار هدف مند و نیز رفع نارسایی های یادشده، پاسخی نیمه تحلیلی برای آن ارائه شود. به همین منظور، اثر پارامترهای مختلف ضربه زن و ورق با ساختار مواد هدف مند بر پاسخ های ضربه ی کم سرعت، در محدوده ی کشسان مورد بررسی قرار گرفته و در تحلیل مسئله از قانون غیرخطی تماس هرتز استفاده شده است. از آنجا که نتایج کنونی با استفاده از پاسخ تحلیلی حاصل شده، خطاهای مدل سازی، خطی سازی و تقریب های عددی متداول در آن ها آشکار نمی شود. نتایج پژوهش کنونی در مقایسه با نتایج دیگر محققین برای حالت های ویژه، مورد تایید قرار گرفته است.
کلیدواژگان: ضربه ی کم سرعت، ورق ساخته شده از مواد هدف مند، حل نیمه تحلیلی -
صفحات 75-81در این پژوهش با بهره گیری از مدل رفتار مادی چابوچه و نیز با استفاده از روش اجزاء محدود به بررسی فرایند اتوفرتاژ پرداخته شده است. نتایج حاصله با نتایج مدل کشسانی خمیری کامل مقایسه شده است. دقت این مدل ها در پیش بینی تنش پسماند ایجاد شده، با استفاده از روش تجربی)اندازه گیری با روش سوراخ کاری مرکزی(بررسی شده است. یافته ها نشان می دهند که در مدل کشسانی خمیری کامل، با توجه به رفتار کاملا خمیری آن بعد از نقطه ی تسلیم، تنش پسماند بیش از مقدار واقعی پیش بینی می شود. از آنجا که ضرایب مدل چابوچه از منحنی هیسترزیس پایدار به دست می آید، سخت شوندگی این مدل بیش از مقدار واقعی است و لذا، تنش های پسماند در این مدل کم تر از مقدار واقعی پیش بینی می شود. با این حال نتایج حاصل از این مدل به نتایج تجربی نزدیک تر است.
کلیدواژگان: اتوفرتاژ، مدل چابوچه، تنش پسماند، سوراخ کاری مرکزی، استوانه ی جدارضخیم -
صفحات 83-95در دهه ی گذشته تحلیل راه رفتن ربات های دوپا با تکیه بر مفهوم دینامیک صفر در کنترل یک سیستم زیرفعال مرتبه ی یک، دیدگاهی نوین در ساخت و پایدارسازی گام های حرکتی ربات های دوپا فراهم آورده است. تکیه ی اصلی در این روش ساخت و ردگیری مسیرهای مرجع، تابعی از یک متغیر مختصاتی غیرفعال پیکره بندی با تغییراتی یکنوا در دوره ی تکمیل یک گام است. در این نوشتار ضمن تحلیل دینامیک تلفیقی راه رفتن دوپا، شامل دینامیک وهله ی آونگی و نگاشت رخداد برخورد، نحوه ی ساخت و پایدارسازی گام راه رفتن یک ربات دوپای سه رابطی صفحه یی با پای تماس نقطه یی در حرکت روی سطح شیب دار بررسی خواهد شد. در این رهیافت پایدارسازی گام راه رفتن به پایداری مداری سیستم روی خمینه ی دینامیک صفر آن تقلیل می یابد. برای تحقق این هدف، با پارامترسازی مسئله ی ساخت مسیرها توسط چندجمله یی های بزییر، نگاشت بازگشتی پوآنکاره متناظر با دینامیک صفر سیستم صریحا استخراج و هم گرایی آن بررسی خواهد شد. در آخر نتایج شبیه سازی، هم گرایی به سمت گام پایدار را تایید می کنند.
کلیدواژگان: ربات دوپای صفحه یی، دینامیک صفر تلفیقی، پایداری مداری، نگاشت رخداد برخورد -
صفحات 97-104در این نوشتار الگوریتم جدیدی برای بهینه سازی سینماتیکی و دینامیکی مکانیزم چهارمیله یی صفحه یی که دارای مفصل لق است، ارائه می شود. بدیهی است که در صورت وجود لقی در یک مفصل، یک درجه آزادی غیرقابل کنترل به مکانیزم افزوده می شود. این امر می تواند منبع ایجاد خطا در پیمایش مسیر مطلوب و تولید ارتعاش و صدا در طول حرکت شود. با فرض تماس دائم بین دو عضو مفصل، لقی را می توان به صورت یک عضو مجازی بدون جرم در نظر گرفت. در این نوشتار یک مکانیزم چهارمیله یی طراحی می شود به گونه یی که بتواند به طور همزمان مسیر مطلوب را با کم ترین خطا طی کند)بهینه سازی سینماتیکی(. همچنین با تغییر توزیع جرم در عضوها، زاویه ی عضو مجازی لقی به گونه یی کنترل می شود که بتوان خطای ناشی از آن را جبران کرد)بهینه سازی دینامیکی(. برای بهینه سازی این مسئله ی غیرخطی از الگوریتم اجتماع پرندگان استفاده می شود.
کلیدواژگان: طراحی مکانیزم، بهینه سازی دینامیکی، معادله ی لاگرانژ -
صفحات 105-112در این مطالعه پایداری دورانی یک نمونه ربات کروی دارای حرکت غلتشی و مجهز به روتورهای داخلی بررسی و تحلیل می شود. بدین منظور ابتدا یک مطالعه ی اغتشاشی انجام می پذیرد تا شرایط رسیدن به آستانه ی ناپایداری برای حرکت غلتشی مشخص شود. با اتکا به نظریه ی فلوکه و قضیه ی هاپف، شرایط پایداری در حالت های غلتش پایا و توزیع جرم متقارن محوری مورد مطالعه قرار می گیرد. با استخراج ثابت های حرکت حاکم بر این سیستم، معیاری برای پایداری و مطالعه ی دوشاخگی رفتار غلتشی در حالت کره مجهز به چرخ اینرسی داخلی تعیین می شود. همانند جسم معلق فضایی، این ربات در حین دوران حول محور اینرسی میانی تمایل به انحراف دارد. با تعبیه ی یک پایدارکننده ی داخلی، ساختار اینرسی کره به صورت دینامیکی تغییر می یابد تا به سیستمی ذاتا پایدار بدل شود. کنترل پذیری برگرفته از این سازوکار داخلی، طرح ریزی حرکت در فضای مفاصل روتورها را چنان ممکن می سازد که حرکت این ربات بر سطوح شیب دار نیز امکان پذیر شود.
کلیدواژگان: ربات کروی، تحلیل پایداری ژیروسکوپی، طرح ریزی حرکت -
صفحات 113-118
مدل دینامیکی ارائه شده در این پژوهش اثر انعطاف پذیری بازوهای یک روبات پرنده را بر پرواز آن شبیه سازی می کند. این روبات متشکل از یک جسم مرکزی و دو روتور است که هرکدام از روتورها توسط یک بازوی انعطاف پذیر به آن متصل اند. برای ساده سازی مسئله پرواز روبات در صفحه در نظر گرفته شده است. هر بازو و روتور متصل به آن به صورت مجموعه یی مجزا با دو درجه آزادی کشسان مدل شده و اثر آن به جسم مرکزی انتقال می یابد. با ترکیب روابط حاکم بر پرواز جسم صلب و انعطاف پذیری بازوها بازوها، دستگاهی از معادلات غیرخطی مرتبه دو به دست آمده که با حل عددی آن رفتار پرنده ی انعطاف پذیردر اثر اعمال نیروی پیشرانپانویس{T h r u s t} تعیین می شود. بخشی از نتایج ارائه شده در این مقاله تفاوت پرنده ی واقعی انعطاف پذیررا با مدل ایده آل صلب در نحوه ی اوج گیری و مسیر پروازی نشان می دهد، و بخشی دیگر در بررسی تاثیر برخی پارامترهای سازه یی بر ارتعاشات روبات کاربرد دارد.
کلیدواژگان: روبات پرنده، شبیه سازی پرواز، بازوهای انعطاف پذیر_ ارتعاشات -
صفحات 119-131هدف اصلی این پژوهش، طراحی، ساخت و آزمون رانش گر گاز سرد با توجه به نیازهای ماموریتی یک شبیه ساز سه درجه آزادی دینامیک وضعیت ماهواره است. برای این منظور، در گام نخست به شناسایی ساختار و ماموریت شبیه سازهای دینامیک وضعیت پرداخته، سپس با تعریف الزامات ماموریتی شبیه ساز 1001)ساخته شده در آزمایشگاه تحقیقات فضایی(، لزوم بهره مندی از مجموعه رانش گرهای گاز سرد را به عنوان عملگرهای زیرسیستم کنترل وضعیت در این شبیه ساز تبیین می کنیم. تشریح کامل فرایند طراحی سیستمی مجموعه ی رانش گر گاز سرد در چهار فاز طراحی مفهومی، طراحی مقدماتی، طراحی جزئی و طراحی نهایی به همراه الزامات طراحی هریک از المان ها و پروسه ساخت و آزمون تجهیزات، در این مقاله ارائه شده است. این فرایند در فازهای مختلف با بهره گیری از معادلات اولیه ی طراحی، مقایسه ی آنها با شبیه سازی های عددی به کمک نرم افزار فلوئنت، ساخت نمونه ی تحقیقاتی و آزمون آن در شرایط واقعی انجام پذیرفته که جزئیات آن، در این مقاله مورد بررسی قرار خواهد گرفت.
کلیدواژگان: شبیه ساز سه درجه آزادی ماهواره، رانش گر گاز سرد، شبیه سازی عددی، شیپوره
-
Pages 3-13Water vapor contains liquid droplets at low pressure stages of a steam turbine, and this two-phase flow can be modeled analytically (mathematically) in a one dimensional convergent-divergent nozzle. The main goal of this paper is to investigate the effect of different state equations and thermo-physical properties of water vapor on modeling the performance of a supersonic two-phase flow. In this research, for the first time, the virial equations of state proposed by Vukalovich, and the related steam properties, have been compared with the state equations and the equations of the thermo-physical properties of vapor in ASME steam tables published in 2006. The principal gas-dynamic differential equations of the two-phase flow are solved by the Runge-Kutta technique. In this regard, the proposed nucleation and droplet growth equations, and, also, the equations of state and thermo-physical properties from the two above mentioned references are used. The results have been compared with the experimental data, including the pressure ratio and droplet diameter. According to the results, for inlet stagnation pressures and temperatures less than 1.5 bars and 400 Kelvin, respectively, the equations proposed in the ASME steam tables are more accurate than the other equations. But, for higher inlet pressures and also inlet temperatures up to 600 Kelvin,Vukalovich's virial equation of state and related steam properties are suggested.Keywords: Two, phase flow, state equation, supercooled vapor, nucleation, supersaturation
-
Pages 15-20Dealing with the increasing demand for electricity is one of the most challenging issues in developing countries. Electrical energy is a common kind of energy, and, in this regard, power plants play a key role in its production. Among different kinds of power plant, combined cycle power plants (CCPPs) have gained much attention. They are attractive options in the power generation field due to having higher thermal efficiency than individual steam or gas turbine power plants, and having less negative environmental impact. The most important part of a CCPP is the heat recovery steam generator (HRSG). The heat recovery steam generator (HRSG) is widely used in power plants for energy recovery and efficiency improvement. Therefore, optimization of the heat recovery steam generator (HRSG) is a key element in increasing the efficiency of the combined plants. Also, due to the large number of design parameters of HRSG, performing an optimization study is necessary for finding the optimum design. These parameters include thermodynamic variables, such as pinch and approach points, as well as geometric parameters, such as fins and tube characteristics. In this study, the design parameters of HRSG, such as thermodynamic and geometric parameters, have been optimized as decision parameters with the objective of incensing gas turbine power in the combined cycle plant. The optimization has been carried out using the Genetic Algorithm (GA). In this paper, a comparison between heat exchange rate, required heat exchanger area and the exergetic efficiency of HRSG is carried out for base and optimized cases, in order to consider the effect of optimization on HRSG operation. The results show that the ratio between the power loss of the gas turbine to the nominal power of the gas turbine (i.e. HRSG is not attached to the gas turbine) in the optimized case is 1 percent, which is an improvement over the base case, which is 5 percent.Keywords: Gas turbine, heat recovery steam generator, gas pressure drop, objective function
-
Pages 21-29In the present study, wind potentials in three regions; Khash, Lootak, and Nosratabad, are investigated in the province of Sistan and Baluchestan, in Iran. Annual wind measurements, including wind speed and wind direction, were made at three heights of 10, 30, and 40 meters, at 10 minute intervals, by the meteorological organization of Iran. Wind speed distribution is important for evaluating wind potential in certain geological regions. Therefore, the widely accepted Weibull distribution function is adopted here to model the wind measurement data. eibull arameters include shape factor, k, and scale factor, c, which are calculated together with standard deviation for each three regions at different heights. Higher values of shape factor, k, leads to sharper peaks, which show less variation in wind speed. The scale factor, c, is a measure for windy regions. The root mean square (RMSE) is used to assess the quality of fitting the Weibull function into the wind measurement data. The average wind speeds are calculated over the months of the years 2008 to 2010. It is observed that average annual wind speed in Khash station is 3.8, 4.32, and 4.57 m/s for the heights of 10, 30, and 40 meters, respectively. In Lootak station, these values are 4.56, 6.28, and 6.54 m/s, respectively. Nosratabad station possesses an annual average wind speed of 4.82 and 5 m/s for heights of 30 and 40 meters, respectively. Average monthly wind power density is also evaluated for the three stations at different heights. In Khash station, this shows an annual average wind power density of 86 W/m2 for a height of 10 meters, 114 W/m2 for a height of 30 meters, and 132 W/m2 for a height of 40 meters. Similarly, it is observed for Nosratabad that the annual averaged wind power density of 125 W/m2 at 30 meters height and 144 W/m2 at 40 meters height can be achieved. These stations are thus categorized as weak sites for in-grid wind power generation and are recommended for off-grid local use for electricity or mechanical power generation. Further study reveals that Lootak station, with an annual average wind power density of 157 W/m2 at 10 meters height, 344 W/m2 at 30 meters height, and 388 W/m2 at 40 meters height, possesses good potential for in-grid electrical power generation. Finally, a wind rose diagram, which indicates wind direction distribution, is plotted for the three stations to obtain the dominant wind direction for installing wind turbines.Keywords: Wind energy, Wiebull distribution, Sistan and Baluchestan, wind rose, wind turbine
-
Pages 31-38Jet impingement is widely used in industry because of the highly favorable heat transfer rate it provides. Engineering applications include the annealing of metal sheets, drying of textile products, deicing of aircraft wings, and cooling of gas turbine blades and electronic components. There are several techniques used in evaluating the local convective heat transfer coefficient. Mass transfer methods have been widely used since many years ago. The heat-mass transfer analogy, in conjunction with the naphthalene sublimation technique, was used to investigate local and verage heat transfer coefficients. Thermo chromic liquid crystals have been applied extensively to heat transfer easurements. Using temperature maps obtained from liquid crystals applied to a constant heat flux surface, Newton's Law of Cooling is used to establish distributions of the convective heat transfer coefficient. However, these methods either require expensive or delicate equipment or have limitations to high temperatures or high levels of turbulence in the u{fb02}ow. An alternative method that is also particularly suited for the investigation of jet impingement heat transfer, is the inverse heat conduction(IHC) technique. The temperature on the impingement surface is measured. It is advantageous because it can be carried out with simple, low-cost instrumentation and subsequent numerical procedures. In this technique, temperatures measured at some proper interior locations on the mpingement surface are used to estimate a thermal boundary condition. The word ``estimation'' is used here, as temperature measurements always contain noise. Tikhonov's regularization technique and Beck's function estimation method are among the most well-known approaches in inverse heat transfer. The purpose of this study is to use the solution of a transient, sequential IHC scheme to estimate the distribution of the steady-state and unsteady onvective heat transfer coefficient in a pulsating jet in laminar flow and turbulence flow at different frequencies, and present the optimum simulation. The method is required to be considered two-dimensional because of the lateral conduction that occurs between the warmer and cooler areas of the surface of the target plate. The inverse scheme used is tested using simulated measured temperatures containing Gaussian noise.Keywords: Impinging slot jet, convective heat transfer coefficient, inverse heat transfer method
-
Pages 39-46The most efficient equipment through which heat rejection processes may be realized is the cooling tower. Cooling towers are used to cool a warm water stream through evaporation of part of the water into an air stream. These zones are modeled and solved numerically using a computer code, and the developed models of these zones are validated against experimental data. The mathematical models of these cooling towers are developed and validated against the experimental data available in the literature. These devices basically consist of three zones, namely; spray zone, fill packing and rain zone. The spray and rain zones are often neglected, even though, in large cooling towers, a significant portion of the total heat that is rejected may occur in these zones. Therefore, the heat and mass transfer contribution of the spray and rain zones in cooling towers is discussed as well. Numerical results fall within the range of experimental measurements, and show a higher accuracy, compared with the results of previous researchers. The effect of Lewis factor on the characteristic performance of a wet cooling tower, such as water loss rates, outlet dry-bulb temperature of air, outlet water temperature and heat rejected rate, under a wide range of weather conditions, for two different dry bulb temperatures of air, ${10^0}C$ and ${40^0}C$, is investigated using the Bosnjakovic equation. Air is saturated at a rapid rate for a lower Lewis factor, so, water loss rates get a higher value. The growth of the Lewis factor increases the heat rejected rate and the outlet air dry bulb temperature. Reduction of Lewis factor increases outlet water temperature, because of higher convection heat transfer. The Lewis factor has no effect on characteristic performance for warm and humid inlet air.Keywords: Wet cooling tower, numerical simulation, Lewis factor effect, characteristics performance, spray and rain zones
-
Pages 47-56Conical shells are of interests to many engineering branches. These shells are usually used as components for bearing pressure. For instance, in civil engineering applications, structures like; silos, pressure vessels, tanks, cooling towers and chimneys, involve conical shells in their constructions. Large conical tubes have a transition cone between two cylinders of different diameter. Conical reducers are used in oil transfer tubes for connecting two cylinder pipes of different diameter, and in places that do not fit the flange. Thus, these structures could be modeled as conical shells under internal pressure loading. Also, in the field of marine engineering, a body of submarines could be modeled as cylindrical shells with rigid reinforcement rings that are blocked by a truncated cone. In the field of aerospace engineering, a spacecraft cabin can also be considered a conical shell. In two recent applications, the model of conical shells is under external pressure. Therefore, due to the use of these structures, their analysis under pressure loads is essential and must be considered.In this paper, the plastic behavior of thin-walled ylindrical-truncated conical shells under static internal pressure will be investigated analytically. Towards this aim, the material behavior is assumed rigid-perfectly plastic, and a common rectangular surface has been used as the yielding criterion composed of stress resultants, $M_theta$ and $N_varphi$. According to the present approach, three asic echanisms have been defined for structural collapse. These include cone-part collapse, collapse with two plastic hinges and collapse with three plastic hinges, each of which caused structural collapse, based on geometrical specifications. Variation of the pressure collapse of the structure has been depicted versus different cylinder-part or cone-part lengths, graphically. The changing of the collapse mechanism occurs in a particular cylinder-part or cone-part length, such that the collapse pressures approach asymptotic values (pressure collapse of completely cylindrical or conical shells).Keywords: Cylindrical, truncated conical shell, static, plastic analysis, internal collapse pressure
-
Pages 57-65Rotating hollow cylinders are involved in many industrial applications. On the other hand, the advantages f unctionally graded materials have made them more attractive for application in different areas, such as in aircraft and aerospace industries. Because of this, in recent years, much research has been conducted on them. In this paper, maximum allowed angular velocity of a rotating hollow FGM cylinder is investigated. The analysis is based on he mall eformation theory. The cylinder is assumed to be infinitely long. Therefore, the deformation state in the cylinder is in a plane strain state. Young's modulus, density and yield stress are assumed to be power-law functions of the radial oordinate. The maximum allowed angular velocity has been defined as the angular velocity at which yielding is initiated, based on the Tresca yield criterion. Dimensionless parameters have been introduced, based on the basic geometrical and material parameters of the problem. Then, the governing equation, which is an equilibrium equation in terms of radial displacement, has been solved analytically. The strain components have then been determined, using the obtained radial displacement and strain-displacement equations. Stress components are derived using the generalized Hook's Law. To identify stress component ordering, the radial distribution of dimensionless stress components was plotted. This was done for the special case of equal exponent parameters. The results show that for this special case, when the exponent parameters vary between -2 and 2, hoop stress and radial stress components are, respectively, the largest and the smallest stress components. Then, the effect of parameter variation, especially density and yield stress, on the maximum allowed angular velocity, is investigated. Results show that the radial variation of density and yield stress may have a considerable effect on stress distribution and yielding initiation, and, consequently, on the maximum allowed angular velocity. To the best of the author's knowledge, density variation was not taken into consideration in previously published research into this problem.
-
Pages 67-74Available low-velocity impact analyses have mainly been presented for isotropic or laminated composite (especially those with transversely isotropic material properties) structures. In the mentioned models, only the stiffness of the impacted region is considered and the influence of the stiffness of the underneath layers on the impact responses is discarded. It is evident that the stiffness of the substrate layers may considerably affect the contact stiffness of the contact region. In some other papers, the nonlinear Hertz-type contact law has been replaced by a linear one. In the present paper, in addition to overcoming the mentioned shortcomings, it is intended to extend the previous research to functionally graded plates, whose material properties vary in the transverse direction according to a power law. The apparent contact stiffness is determined through calculation of the volume mean of the material properties and by employing Turner's procedure. Among other superiorities, the solution is presented in a semi-analytical form. The governing equations of the plate are derived based on the classical plate theory, and the analytical solution is of a Navier-type. The proposed solution is adopted, according to the boundary condition of simply supported edges. Therefore, the plate is modeled as a continuous rather than discrete system. The resulted nonlinear time-dependent equations are solved using the Runge-Kutta numerical time integration method. In the present research, effects of various parameters of the indenter (radius, mass, velocity) and the functionally graded plate (power law exponent or the so-called volume fraction index and thickness of the plate) on the low-velocity responses (indentation, contact force, and lateral deflection) are investigated in the elastic region, employing non-linear Hertz's contact law. Since the present results are extracted based on an analytical method, modeling, linearization, and common numerical errors are prevented. Results of the present research are verified by results reported by other researchers for special cases.Keywords: Impact, functionally graded material, semi, analytical solution
-
Pages 75-81Autofrettage is an effective method for increasing the load capacity of thick-walled cylinders. Since the behavior of materials in loading and unloading steps is different, it is necessary to provide a suitable constitutive model to accurately predict the behavior of the material and estimate the induced residual stresses. In this study, the Chaboche material model was used to numerically investigate the autofrettage process. The six constants of this model were determined using the cyclic behavior of material, based on the von Mises yield criteria for Al7075-T6 aluminum. The results were compared with the results obtained from the elastic perfectly plastic model for the material. Experimental tests were done in order to determine the accuracy of the results of each model in prediction of the residual stress distributions. The central hole drilling (CHD) method was used for determination of the residual stresses along the thickness direction. Several specimens were made with different aspect ratios (ratio of outer to inner radii of cylinder), and subjected to various internal pressures to obtain the desired values for autofrettage ratios (ratio of the plastic portion to total thickness of cylinder). Two aspect ratios; 1.4 and 1.5, and three values; 30%, 45% and 60%, were considered for the autofrettage ratio. Then, stresses were measured in the outer region of the cylinder wall. The results show that the elastic perfectly plastic model predicts the residual stresses greater than experimental values, while the Chaboche model predicts smaller amounts. However, the results predicted by the Chaboche model are closer to the experimental data, more than the elastic perfectly plastic model. For both material models, the plastic region increases with increasing autofrettage pressure. The residual stress values increase by increasing the aspect ratio, and also, the autofrettage ratio. So, maximum residual stress will be obtained when all of the wall thickness becomes plastic (100% autofrettage ratio).Keywords: Autofrettage, Chaboche model, residual stress, central hole drilling, thick, walled cylinder
-
Pages 83-95Over the last decade, the zero dynamic concept in controlling under-actuated systems is an emerging viewpoint in the study of the generation and stabilization of the walking gait for biped robots. The main feature of this method relies on planning and tracking the reference paths, considered virtual constraints on biped configuration, during their motion. The virtual constraints do not arise from a physical connection between the two variables but rather from the actions of a feedback controller. These virtual constraints are defined as a set of outputs, equal in number to the inputs. Then, by designing a feedback controller that asymptotically drives the outputs to zero, the evolution of the joints of the robot would be synchronized in order to emerge as a walking gait. The virtual constraints are formulated in terms of some functions of a passive coordinate variable of biped configuration that is a strictly monotonic variable during completion of a one step course. It is important to note that this is not a classical trajectory tracking scheme, because the desired evolution of outputs is enslaved to a variety of biped configurations and not time. In this paper, at first, the hybrid dynamic model, which includes motion deferential equations describing the continuous biped evolution during the swing phase, is derived, together with a discrete map for jumping state variables at the impact event. Then, a coherent framework for generation and stabilization of the walking gait on a slope for a planar three link biped robot with pointed feet will be outlined. This method is based on orbital stabilization of the hybrid zero dynamic via Poincare return map analysis. Indeed, the dimension of the zero dynamics is considerably less than the dimension of the model itself; the task to be achieved by the robot is implicitly encoded into a lower-dimensional system. The successfulness of the ethod is verified by simulation results.Keywords: Planar biped robot, hybrid zero dynamic, orbital stabilization, impact event map
-
Pages 97-104Geometrical perfection is usually assumed in the synthesis of linkages; i.e. they are treated without clearance at the joints. But, in practice, clearance in the joints is inevitable due to tolerances and defects arising from design and manufacturing or wearing after a certain working period. Moreover, it provides allowance for the connecting links to move relative to each other. On the other hand, joint clearances affect the performance of linkages tremendously. Here, we design a planar four-bar linkage to follow the desired trajectory, in the presence of clearance at the joint between the crank and the coupler. Firstly, the kinematical synthesis is performed. It is noteworthy that in the presence of clearance at a joint, the linkage gains an additional, uncontrollable, degree of freedom (DOF). Therefore, one has to solve the optimization problem only if this unwanted mobility can be controlled. At this step, a time history of the second DOF is assumed to be known. Thus, the optimization problem can be solved. At the second step, the assumed time history of the second DOF of the mechanism has to be satisfied. This can be performed by mass re-distribution of the links. This highly nonlinear optimization problem can be solved numerically. ecently,evolutionary algorithms have become increasingly popular for solving nonlinear problems in various fields, especially on mechanism design; Particle Swarm Optimization (PSO), Differential Evolution, Genetic Algorithms and the Ant Colony Optimization Technique are among the most popular. Here, we present an algorithm based on PSO to solve, simultaneously, these highly nonlinear optimization problems with some constraints. This dual optimization problem is solved for planar four-bar linkage using a continuous contact model, based on the assumption that the pin is always in contact with the socket. Finally, an example is included to demonstrate the efficiency of the algorithm. The results clearly show that the linear and angular accelerations of the links for the optimal design are very smooth and bounded.Keywords: Linkage design, dynamic optimization, Lagrange's equation, clearance
-
Pages 105-112The rotational stability of a spherical shaped system equipped with internal rotors, and constrained to roll on floors, is investigated in multiple cases. The spinning masses produce the momentum, which, in turn, actuates robot motion through the slip-free contact constraint. Understanding this coupling between dynamics and kinematics is crucial in exploring novel mechanical locomotive designs. Possible applications of the aforementioned system may consist of their use as sentinels in large industrial domains and the exploration of unsecured areas when equipped with cameras and multiple sensors. Because such a system exhibits symmetry, or invariance under certain actions, the equations describing the system motion will conserve some physical properties that are quantified by constant values for the integrals of motion.These constants of motion permit determination of conditions of parametric stability of rolling, spinning, or precession motions, leading to a bifurcation analysis investigation.As shown, internal spinning disks can be employed as active stabilizers by appropriate feedbacks, dynamically transforming the inertia distribution of the whole system into a stable one. The controllability acquired by implementing at least two rotors is sufficient to permit motion planning in the joint space, conducting the system to track predetermined paths, even on inclined urfaces.This research focused on a locomotion technique that uses dynamically coupled actuation that is different from other direct means of locomotion, profiting by the interplay between dynamics conservation laws and kinematics constraints. Actually, studying the dynamics of nonholonomic systems finds applications in modern technologies, from plane landing gears to satellite applications. The present study reveals that standard approaches for the systematic stability analysis of nonholonomic systems have not yet been fully developed. Although considerable efforts have been made to this end, the realm can still be considered unexplored in comparison to its holonomic homologue. It is lsoundeniable that inquiries regarding a conventional solution to the stability question would have been much more challenging without considering the physical aspect underlying the problem.Keywords: Nonholonomic rolling systems, gyroscopic stability, motion planning control, autonomous locomotion
-
Pages 113-118
I n t h i s s t u d y, t h e f l i g h t o f a r o b o t w i t h e l a s t i c a r m s i s s i m u l a t e d. I t i s a s s u m e d t h a t t h e r o b o t f l i e s i n p l a n e a n d h a s t h r e e r i g i d d e g r e e s o f f r e e d o m. F l y i n g r o b o t s a r e c o n s i d e r e d t o h a v e a c e n t r a l b o d y w i t h t w o r o t o r s c o n n e c t e d t o i t, a n d t w o b e a m s t h a t a r e e l a s t i c i n b e n d i n g a n d i n e x t e n s i b l e i n l e n g t h. T h e m a s s o f e a c h c o n n e c t i n g a r m i s d i v i d e d b e t w e e n t h e c o r r e s p o n d i n g r o t o r a n d t h e c e n t r a l b o d y. E a c h a r m a d d s t w o e l a s t i c d e g r e e s o f f r e e d o m t o t h e p r o b l e m. E q u a t i o n s o f e l a s t i c d e f o r m a t i o n s f o r e a c h s i d e a r e d e r i v e d b y c o n s i d e r i n g e a c h r o t o r a n d i t s c o n n e c t i n g a r m a s a c l a m p e d b e a m a t t h e r o o t u n d e r a t r a n s v e r s e l o a d, w i t h b e n d i n g m o m e n t a c t i n g o n i t s t i p. C o n s t r a i n t f o r c e s a n d m o m e n t s f r o m b o t h s i d e s a r e a p p l i e d t o t h e c e n t r a l b o d y a n d t h e n e q u a t i o n s o f i n p l a n e m o t i o n o f t h e f l y i n g r o b o t a r e d e r i v e d. A l s o, t h r e e e q u a t i o n s a r e a d d e d t o f i n d t h e p i t c h a n g l e, f l i g h t p a t h a n d p o s i t i o n o f t h e r o b o t, w i t h r e s p e c t t o a n i n e r t i a l f r a m e. S o m e c a s e s t u d i e s a r e a d d e d t o s h o w t h e d i f f e r e n c e s b e t w e e n a r i g i d a n d a n e l a s t i c s i m u l a t i o n o f a f l y i n g r o b o t. S i n c e t h e d i f f e r e n t i a l e q u a t i o n s a r e s e c o n d o r d e r a n d n o n-l i n e a r, a n u m e r i c m e t h o d i s u s e d t o s o l v e t h e m f o r s p e c i f i e d r o t o r s t h r u s t s. E f f e c t s o f d i f f e r e n t s t r u c t u r a l p a r a m e t e r s, l i k e d a m p i n g c o e f f i c i e n t, l e n g t h t o d i a m e t e r r a t i o, a n d i n s t a l l a t i o n a n g l e o f c o n n e c t i n g a r m s, o n e l a s t i c d e f o r m a t i o n s a n d t h e f l i g h t p a t h o f t h e f l y i n g r o b o t, a r e i n v e s t i g a t e d. I t i s s h o w n t h a t a s t h e l e n g t h t o d i a m e t e r r a t i o o f t h e c o n n e c t i n g a r m i n c r e a s e s, f r e q u e n c y o f v i b r a t i o n d e c r e a s e s a n d i t s a m p l i t u d e i n c r e a s e s. L o w e r i n g t h e i n s t a l l a t i o n a n g l e w i l l i n c r e a s e b o t h t h e a m p l i t u d e a n d f r e q u e n c y o f v i b r a t i o n s. M o r e i m p o r t a n t l y, i t c a n b e s e e n t h a t a n e l a s t i c r o b o t c l i m b s h a r m o n i c a l l y n d h a t e f o r m a t i o n s o f t h e c o n n e c t i n g a r m s m a y c h a n g e t h e f l i g h t p a t h. A l t h o u g h i n c r e a s i n g t h e d a m p i n g c o e f f i c i e n t o f t h e a r m s w i l l l o w e r t h e a m p l i t u d e o f h a r m o n i c m o t i o n, i t i s s h o w n t h a t h i g h e r d a m p i n g v a l u e s m a y r e s u l t i n h i g h e r d e v i a t i o n s f r o m t h e a s s u m e d f l i g h t p a t h.
Keywords: Flying robot, flight simulation, elastic arms, vibration -
Pages 119-131The main purpose of this article is to describe the design and development process of a cold gas thruster subsystem used in a tri-axial satellite simulator (Simulator 1001) as an actuator. Simulator 1001 emulates the rotational motion of a satellite in orbit and acts as a test-bed for satellite attitude determination and control subsystem design and development. Among these projects, the simulator platform (spherical air-bearing) and several subsystems (cold gas micro-thrusters, on-board processor, attitude sensor, balancing mechanism, high-pressure composite tanks, efficient regulator and etc) has been designed and manufactured (or provided) by our technical team in the Space Research Laboratory of KNT.By considering the limitations and requirements of the main project, design and manufacture of a simulator 1001 system design procedure of a cold gas thruster subsystem was established. Systems engineering design procedures encompass the tools and methodology necessary to ove onceptualization o ystem mplementation, with emphasis on the system as a whole, and user needs. It has four main phases: conceptual design, preliminary design, detailed design and final design. In the conceptual phase, by reviewing the available samples of cold gas thrusters and using gas dynamics theories, the main coordinates of a cold gas thruster subsystem, including: quantity, tank pressure, regulator pressure, nozzle diameter, expansion ratio and etc., are estimated. In the next phase, the preliminary design, numerical simulation and analysis of gas flow using Fluent software is performed, and the final specifications of the prototype thruster model are exported. Manufacturing the prototype model and the thrust-stand-test are performed in a detailed design phase. Also, evaluating the thrust level of the protype model and finalization of other component specifications, such as tank, regulator, accumulator, solenoid and driver, are the main parts of this phase. In the next phase, the final design, drawings of the thruster and solenoid are prepared and software or user interfaces are built. The outputs of this phase are suitable and also complete for manufacturing the system. In this paper, the above phases will be explained, and results of the test procedure of the sophisticated cold gas thruster will be presented and analyzed precisely.Keywords: Tri, axial satellite simulator (simulator 1001), cold gas thruster, numerical simulation, nozzle