مهندسی مکانیک امیرکبیر (امیرکبیر)
سال:1401 | دوره:54 | شماره:1 |تعداد مقالات:12

در مقاله حاضر تشکیل و رشد تاج بر اثر برخورد مایل قطره بر لایه سیال در سیالات غیرنیوتنی ویسکوالاستیک به صورت عددی و در حالت دو بعدی تحت بررسی قرار گرفته است. از روش حجم محدود جهت مدلسازی معادلات حاکم و از روش حجم سیال جهت ردگیری سطح آزاد بین دو سیال استفاده شده است. در این مطالعه از مدل اولدروید- بی به عنوان معادله ساختاری جهت مدلسازی فاز سیال ویسکوالاستیک استفاده شده است. در تحلیل عددی حاضر تشکیل و رشد زمانی هندسه تاج مورد تاکید است و تأثیر نیروهای الاستیک سیال و کشش سطحی بر روی آن مورد بررسی و ارزیابی قرار گرفته است. نتایج بیانگر آن است که افزایش در مقدار عدد وایزنبرگ، نسبت ویسکوزیته و عدد وبر سبب افزایش در مقادیر ارتفاع (*Z) و طول پخش (*S) بدون بعد تاج در زمان های مختلف می شود. از طرفی در سیالات ویسکوالاستیک افزایش زاویه برخورد در کنترل متغیر ارتفاع Z* هندسه تاج اثر قابل ملاحظه ای دارد و از طرف مقابل تأثیر چشمگیری بر طول پخش *S ندارد. همچنین نتایج بیانگر آن است که با افزایش ضخامت لایه سیال ارتفاع تاج افزایش و تغییرات طول پخش تاج روند کاهشی به خود می گیرد. از مهمترین نتایج قابل حصول از تحقیق حاضر می توان به تأثیر شگرف توامان خاصیت الاستیک سیال و کشش سطحی بر گسترش ابعاد تاج تشکیل شده از برخورد مایل قطره سیال اشاره کرد.

در این مقاله با کمک روش اجزاء محدود، یک مدل کوپل سیال- جامد- پیزوالکتریک برای مطالعه و بهبود عملکرد یک میکرو مبدل پیزوالکتریکی توسعه یافته که برای جذب انرژی از جریان سیال طراحی شده است. در این جاذب انرژی، عبور جریان لزج و آشفته سیال از روی یک مانع سبب وقوع پدیده جدایش گردابه می‎گردد. جدایش گردابه ها موجب اعمال یک نیروی برآی نوسانی به تیر پیزوالکتریکی می شود که در پایین دست مانع قرار گرفته است. نوسانات حاصله در تیر با توجه به خاصیت پیزوالکتریکی منجر به تولید جریان و انرژی الکتریکی خواهد شد. معادلات ناویر- استوکس و روش شبیه ‎سازی گردابه بزرگ برای توصیف رفتار جریان آشفته سیال، و معادلات پیوستگی مومنتوم خطی به همراه روابط ساختاری پیزوالکتریک برای تعیین تغییر شکل جامد و شدت میدان الکتریکی تولیدی به کار گرفته شده اند. با طراحی آزمون های عددی به روش تاگوچی، تأثیر پارامترهای مختلف بر عملکرد برداشت کننده مطالعه شده است. مطابق با نتایج بدست آمده، انتخاب شکل مثلثی یا دی-شکل برای مانع و اتخاذ کمترین مقدار ممکن برای نسبت طول به ارتفاع مانع، فاصله تیر تا مانع جسم، و خروج از مرکز تیر نسبت به مانع برای بهبود عملکرد جاذب سودمند است. ضمن اینکه شکل مانع مؤثرترین پارامتر مورد بررسی بوده است.

در مقاله حاضر، شبیه سازی عددی جریان جهت شناسایی رخداد کاویتاسیون و جزئیات شکل گیری و اثرات آن، در پمپ سانتریفیوژ از نوع 250- 100 شرکت پمپیران با نرم افزار انسیس سی – اف – ایکس پرداخته شده است. در شبیه سازی کاویتاسیون، جریان به صورت دو فاز آب و بخارآب در نظر گرفته شده است. از معادله رایلی- پلست جهت بررسی رشد و فروپاشی حباب بخار استفاده شده است. به منظور اعتبارسنجی نتایج عددی، منحنی های مشخصه پمپ از مطالعه حاضر استخراج و با نتایج مشابه تجربی مقایسه گردیده است. میزان انحراف نتایج عددی حاضر با نتایج تجربی در دبی طراحی پمپ 6/5 درصد می باشد. مشخص می گردد که کاویتاسیون در فشارهای ورودی کمتر از 45 کیلو پاسکال رخ می دهد. با کاهش فشار ورودی از 40 کیلوپاسکال تا 20 کیلوپاسکال، میزان جدایش جریان افزایش یافته و موقعیت آن از ابتدای پره به نواحی داخلی پره منتقل می شود. موقعیت رخداد کاویتاسیون در0/14 تا 0/24 گذرگاه و همچنین ابتدای پره ها رخ می دهد. به نحوی که کاویتاسیون لبه حمله به سمت مناطق داخلی پره انتقال می یابد. میزان کسر حجمی بخار در این قسمت ها به ترتیب از 0/04 به 0/96 افزایش یافته است. با رخداد کاویتاسیون در هد مکش مثبت خالص برابر با 1/52، افت 3 درصدی هد مشاهده می گردد.

در این تحقیق، واماندگی دینامیکی مقاطع نزدیک به نوک تیغه روتور در حداکثر سرعت پروازی بالگرد با نسبت پیشروی 0/35 همراه با تغییرات نوسان پیچشی توسط شبیه سازی دینامیک سیالات محاسباتی مورد مطالعه قرار گرفته است. به منظور شبیه سازی میدان جریان، معادلات ناپایای متوسط ‎گیری شده ناویر استوکس با استفاده از روش گسسته سازی حجم محدود حل شده است. شبکه مورد استفاده از نوع ترکیبی بوده و از مدلK-ω SST    برای مدل سازی جریان مغشوش بهره گرفته شده است. جهت اعتبارسنجی شبیه سازی عددی از نتایج تست پروازی بالگرد AH1-G استفاده شده که دارای تطابق مناسبی می باشد. نتایج نشان دهنده این موضوع است که موج ضربه ای عامل واماندگی دینامیکی در ناحیه پیش رونده تیغه روتور بوده و اثرات موج ضربه ای بر روی ضرایب برآ در نواحی نزدیک تر به نوک تیغه به دلیل اثرات نفوذ گردابه نوک تضعیف شده و تغییرات ضریب برآ نسبت به نواحی داخلی تیغه کمتر و یکنواخت تر گردیده به گونه ای که نسبت تغییرات ضریب برآ نسبت به بیشینه این ضریب در نواحی نزدیک تر به نوک تیغه 2 /10درصد کاهش یافته است. از طرفی نتایج این پژوهش نشان داد که بر خلاف انتظار، با وجود شکل گیری گسترده گردابه لبه حمله در قسمت داخلی تر تیغه در بیشتر ناحیه پس رونده، وجود جریان شعاعی به واسطه چرخش تیغه روتور عامل تضعیف گردابه لبه حمله و محدود شدن واماندگی دینامیکی در این ناحیه شده است.

در مطالعه حاضر جهت ساخت میکروپمپ الکترواسمزی، یک هندسه جدید با الکترودهای سه بعدی طراحی شده است. به منظور به سازی، پارامترهای مختلف از جمله عرض و ارتفاع پله ها بر روی هر الکترود و محل قرارگیری آن ها، اندازه هر الکترود (تقارن یا عدم تقارن)، فاصله جفت الکترودها و همچنین مشخصات الکتریکی (شامل ولتاژ و فرکانس) بررسی و جریان سیال (سدیم کلرید) درون یک کانال تحلیل شده است. معادلات حاکم بر جریان و همچنین معادلات میدان الکتریکی به روش اجزای محدود کوپل و حل شده اند. این امر جهت بررسی تأثیر پارامترهای هندسی الکترود بر سرعت لغزشی الکترواسمزی و در نهایت تأثیر آن بر جریان سیال صورت گرفته است. برای معتبرسازی حل عددی، تراشه با استفاده از روش فتولیتوگرافی شامل مراحلی چون لایه نشانی الکترود پلاتین، ایجاد پله ها بر روی الکترود با استفاده از پلیمر و ساخت میکروکانال در محیط آزمایشگاه ساخته شده است. در نهایت با توجه به به سازی ، محل قرارگیری پله بر روی الکترود (µm 50 )، عرض پله (µm 30) و ارتفاع آن (µm 5) بدست آمد. با توجه به ابعاد، فرکانس kHz 1 و ولتاژ  V2/5، مقدار سرعت، دبی و فشار به ترتیب برابر با mm/s 1/77، ml/min 14/9 و Pa 74/6 است که از نظر کیفی با روند نتایج آزمایشگاهی، مطابقت دارد. این طراحی، پمپاژ بالایی در پمپ های الکترواسموزی را فراهم می کند.

هنگامی که یک وسیله پرنده به یک سطح آبی یا خاکی نزدیک می شود، در الگوی میدان جریان سیال اطراف آن تغییراتی بوجود می آید. این تغییر میدان جریان بر آیرودینامیک و کنترل پرنده اثر مستقیم می گذارد. این موضوع بیشتر در هنگام نشست و برخاست پرنده و نیز پرواز کروز با ارتفاع کم نمود پیدا می کند، که آن را اثر سطحی می نامند. در این پژوهش پدیده اثر سطحی و اثر آن در ضرایب آیرودینامیکی و الگوی جریان اطراف ایرفویل ناکا0012 در رژیم مادون صوت تراکم ناپذیر در حالت استاتیکی به صورت عددی و تجربی بررسی شده است. آزمون تجربی در تونل باد مادون صوت تراکم ناپذیر مرکز تحقیقات ملی آیرودینامیک قدر دانشگاه جامع امام حسین (ع) با سطح مقطع 80 در 100 سانتی متر انجام شده است. شبیه سازی پدیده به صورت زمین ثابت و با حداقل ضخامت لایه مرزی ممکن در تونل باد می باشد. حل میدان جریان به صورت عددی براساس معادلات ناویراستوکس به همراه مدل لزجت گذار-اس اس تی انجام شده است. تأثیر پدیده اثر سطح بر تغییر ضرایب آیرودینامیکی با درنظر گرفتن فواصل مختلف از سطح در حالت استاتیکی بررسی شده است. توزیع فشار روی سطح ایرفویل بوسیله سنسور دقیق فشار اندازه گیری شده است و  در فواصل نزدیک به سطح متأثر از پدیده اثر سطح است. نتایج تحلیل استاتیکی نشان دهنده ی افزایش نیروی برآ و کاهش نیروی پسا است.

در مقاله حاضر، تأثیر چیدمان های مختلف دو استوانه چرخان درون یک محفظه باز دارای دریچه های ورودی و خروجی بر الگوی جریان و افزایش انتقال حرارت جابجایی اجباری نانوسیال ترکیبی اکسید آلومینیوم-مس با پایه آب در محدوده رژیم آرام به صورت عددی مورد مطالعه قرار گرفته است. در این مطالعه، تأثیر پارامترهایی از قبیل چیدمان استوانه ها (A، B، C و D)، و همچنین سرعت زاویه ای چرخش استوانه ها (10- الی 10+)، عدد رینولدز (100 الی 500) و کسر حجمی نانوذرات 0/5 الی 3 درصد) بر الگوی جریان و انتقال حرارت بررسی شده است. نتایج حاکی از آن است که چیدمان D نسبت به سایر چیدمان ها، دارای بیشترین مقدار افزایش انتقال حرارت و شاخص ارزیابی عملکرد می باشد. همچنین نتایج نشان می‎دهد که با افزایش سرعت زاویه ای استوانه ها، عدد رینولدز جریان ورودی به محفظه و کسر حجمی، شاخص ارزیابی عملکرد افزایش می یابد. همچنین با چرخش استوانه ها در جهت پادساعتگرد نسبت به چرخش ساعتگرد، شاخص ارزیابی عملکرد افزایش چشمگیری یافته و حدو1/30 برابر می شود. همچنین نتایج نشان می دهد که نانوسیال ترکیبی اکسید آلومینیوم-مس با پایه آب، موجب افزایش عدد ناسلت متوسط نسبت به نانوسیال مس با پایه آب و همچنین افزایش شاخص ارزیابی عملکرد نسبت به نانوسیال اکسید آلومینیوم با پایه آب می شود.

در مطالعه ی عددی حاضر، عملکرد حرارتی-هیدرودینامیکی اسلاری حاوی نانو کپسول های مواد تغییرفاز دهنده به عنوان سیال عامل در یک جاذب حرارتی میکروکانالی مورد بررسی قرار گرفته است. به این منظور، یک جاذب گرمایی با حفره های سینوسی شکل و دندانه های مستطیلی موجود در میانه ی کانال به عنوان هندسه ی مورد بررسی انتخاب و جریان آرام و پایای مخلوط همگن حامل نانوذرات تغییرفاز دهنده در این هندسه ی پیچیده مطالعه شده است. برای مدلسازی جریان مخلوط از یک مدل تکفاز همگن استفاده گردید و معادلات حاکم بر جریان و انتقال حرارت با کمک روش حجم محدود گسسته سازی شدند. از نرم افزار انسیس فلوئنت برای حل معادلات حاکم و شبیه سازی جریان استفاده شده است. برای سنجش عملکرد حرارتی-هیدرودینامیکی مخلوط های مورد مطالعه از عدد ناسلت، ضریب اصطکاک و ضریب عملکرد استفاده گردید و شبیه سازی ها برای محدوده ی اعداد رینولدز 200 تا 1000 و غلظت حجمی 0 تا 30% برای نانوذرات انجام شدند. با توجه به ویژگی گرمای نهان بالای مواد تغییر فاز دهنده، به کارگیری آن ها در سیال پایه منجر به ارتقای ظرفیت گرمایی سیال کاری می شود و این امر می تواند به بهبود عملکرد حرارتی جاذب گرمایی برای خنک کاری قطعات الکترونیکی ریز مقیاس منجر شود. نتایج حاصل نشان داد که افزودن نانو کپسول های مواد تغییرفازدهنده به یک سیال پایه ی متداول مانند آب می تواند عملکرد حرارتی-هیدرودینامیکی آن را به ویژه در اعداد رینولدز پایین تقویت کند. در مطالعه ی حاضر افزایش 6 تا 48 درصدی عدد ناسلت برای مخلوط حاوی مواد تغییرفازدهنده گزارش شده است.

در این مقاله، رفتار هیدرودینامیکی و انتقال حرارت جریان آشفته نانوسیال در یک مبادله کن مجهز به حلقه های مخروطی سوراخ دار به صورت عددی شبیه سازی شده است. سیال پایه آب و نانوذرات اکسید آلومینیوم با درصد وزنی صفر تا 5 درصد به عنوان نانوذرات افزایش دهنده انتقال گرما در نظر گرفته شده است. معادلات حاکم با استفاده از روش دینامیک سیالات محاسباتی به کمک نرم افزار انسیس - فلوئنت و در محدوده عدد رینولدز 12000-2000 حل شده است. پس از صحت سنجی روش حل عددی با نتایج تجربی موجود، تأثیر پارامترهای هندسی و مشخصات جریان مانند عدد رینولدز، تعداد حلقه های مورد استفاده، تعداد سوراخ های مورد استفاده و کسر حجمی نانوذرات بر مشخصات انتقال گرمای مبادله کن گرمایی مطالعه شده است. نتایج نشان می دهد، استفاده از حلقه های مخروطی سوراخ دار تأثیر قابل ملاحظه ای بر بهبود انتقال گرما در مبادله کن های گرمایی دارد و این روش می تواند در کاربردهای عملی مورد استفاده قرار گیرد. نتایج نشان می دهد با افزایش تعداد حلقه های مخروطی، کاهش تعداد سوراخ های آن و بیشتر شدن کسر وزنی نانوذرات، عدد ناسلت و ضریب اصطکاک افزایش می یابد. بر اساس نتایج مشاهده می شود که حلقه مخروطی ارائه شده می تواند عدد ناسلت متوسط را 5/3 برابر نسبت به لوله بدون حلقه افزایش دهد. علاوه بر این، نانوذرات اکسید آلومینیوم نیز تأثیر مطلوبی بر افزایش انتقال گرما داشته و با افزایش کسر حجمی نانوذرات اکسید آلومینیوم از صفر درصد تا 5 درصد، عدد ناسلت به ازای یک حلقه مخروطی دارای سه سوراخ بر روی آن در حدود 92 درصد افزایش در عدد ناسلت مشاهده شده است.

در این مقاله، پیکربندی جدیدی از سیستم ترکیبی پیل سوختی اکسیدجامد/ توربین گازی با سیکل ریفرمینگ بیوگاز با اهداف تولید همزمان توان و هیدروژن ارائه شده است. حرارت خروجی از سیستم پایه پیل سوختی اکسید جامد جهت تأمین انرژی لازم واکنش ریفرمینگ و راه اندازی سیکل ریفرمینگ بیوگاز برای تولید هیدروژن مورد استفاده قرار گرفته است. مدل سازی جامع ترمودینامیکی و ترمواکونومیکی با استفاده از برنامه ای ای اس انجام گرفته است. همچنین مطالعه پارامتریک جهت بررسی تأثیر پارامترهای مختلف بر روی توان خالص خروجی، بازده انرژی و اگزرژی، نرخ تخریب اگزرژی و مجموع هزینه واحد محصول کل سیستم مورد تحلیل قرار گرفته است. نتایج نشان می دهد که بازده انرژی و اگزرژی سیستم ترکیبی پیشنهادی در مقایسه با سیستم پایه پیل سوختی اکسیدجامد/ توربین گازی به ترتیب به میزان 23/31% و 28/19% افزایش یافته است. توان خالص خروجی و دبی جرمی هیدروژن کل سیستم به ترتیب 2726 کیلووات و    07453 /0کیلوگرم در ثانیه به دست آمده است. از تحلیل اگزرژی کل سیستم، این نتیجه حاصل شد که جزء پس سوز بیش ترین سهم را در بین سایر اجزای سیستم در حدود 26% از نرخ تخریب اگزرژی کل به خود اختصاص داده است. با افزایش دمای ورودی پیل سوختی، ولتاژ پیل در دمای 679 کلوین به حداکثر مقدار می رسد و سپس کاهش می یابد. در نتیجه، بازده انرژی و اگزرژی به بیشترین مقدار رسیده و سپس کاهش می یابد. علاوه بر این، نرخ تخریب اگزرژی و مجموع هزینه واحد محصول کل سیستم ترکیبی به ترتیب برابر 1532 کیلووات و 9400 دلار بر گیگاژول محاسبه شده است.

در پژوهش حاضر، مشعل استوانه ای شعله سطحی کاملاً پیش آمیخته، در شش توان 11/74کیلو وات تا 17/14 کیلو وات و نسبت هم ارزی 0/4 تا 1/6(محدوده رقیق و غنی) مورد مطالعه آزمایشگاهی قرار گرفته است. نتایج شامل دو بخش طیف سنجی و تحلیل تصاویر شعله است. در بخش سنجش نورتابی شیمیایی، نسبت هم ارزی متناظر با بیشینه ی حرارت آزاد شده از مشعل استوانه ای سوراخ دار، در نسبت هم ارزی 8 /0بدست آمده است. نسبت هم ارزی مشعل، با استفاده از منحنی برازش شده هیدروکسیل بر توان مشعل و تغییرات نسبت شدت*OH*/  CH، بصورت مستقل از توان مشعل تخمین زده شده است. در بخش تحلیل تصاویر، رنگ شعله از نسبت هم ارزی 0/44 تا 1/6 از ناحیه حد پایین به حد بالا در چهار ناحیه فیروزه ای، زرد و قرمز، آبی پایدار، برخاستگی و در نهایت خاموشی شعله در شش توان مشعل بررسی شده است. ناحیه عملکرد مناسب مشعل، دارای شعله به رنگ آبی بدون برخاستگی و برگشت شعله در یک محدوده ی مشخص بر حسب توان ورودی ارائه شده است. نقشه عملکرد، به ازای هر توان ورودی، نسبت هم ارزی مناسب عملکرد مشعل شعله سطحی را نشان می دهد.

هدف از مطالعه حاضر بررسی تأثیر شرایط حرارتی حاکم بر دیواره کوره و ساختار اکسنده بر انتشار آلاینده ناکس و شرایط دمایی داخل کوره احتراق غیرپیش آمیخته است. بدین منظور شبیه سازی کوره احتراق غیرپیش آمیخته با استفاده از نرم افزار اپن فوم انجام شده است. در شبیه سازی های عددی از مدل آشفتگی کی- اپسیلون استاندارد، مدل احتراقی مفهوم اتلاف گردابه اصلاح شده و مدل تشعشعی فاز گسسته استفاده شده است. همچنین به منظور تحلیل نتایج حاصل از شبیه سازی های عددی، محاسبات شیمیایی با استفاده از واکنشگاه کاملاً مخلوط مورد توجه قرار گرفته است. مطابق با نتایج، افزایش دمای دیواره کوره تا رسیدن به شرایط عایق حرارتی منجر به افزایش قابل توجه دمای متوسط و بیشینه درون محفظه احتراق گردیده و رژیم احتراقی را از بدون شعله به دما بالا منتقل می کند. علاوه بر این جایگزینی دی اکسید کربن با نیتروژن همراه با کاهش دمای محفظه احتراق به علت تفاوت های فیزیکی و شیمیایی این دو گونه خواهد بود. براساس نتایج، افزایش دمای دیواره با وجود کاهش اتلاف حرارتی منجر به افزایش ناکس در رژیم احتراقی دما بالا می گردد. استفاده از دی اکسید کربن به جای نیتروژن در ساختار اکسنده می تواند روشی راهگشا در کاهش اتلاف حرارتی همزمان با کاهش ناکس منتشر شده از کوره احتراق غیرپیش آمیخته مورد توجه قرار گیرد.