مهندسی مکانیک امیرکبیر (امیرکبیر)
سال:1401 | دوره:54 | شماره:5 |تعداد مقالات:13

پساب های صنایع پتروشیمی یکی از خطرناک ترین پساب های موجود است که حاوی ترکیبات سمی و سخت تجزیه پذیر است و رهاسازی آن در طبیعت خطرات جدی زیست محیطی را به دنبال دارد. از این رو تصفیه آن ها امری ضروری است. در این تحقیق روش فنتون به عنوان یکی از روش های اکسیداسیون پیشرفته کارآمد برای تصفیه پساب پتروشیمی آبادان استفاده شد. بررسی تاثیر سه پارامتر pH ، غلظت H2O2 و نسبت Fe/H2O2 و تداخل آن ها بر بازدهی حذف رنگ از این پساب با استفاده از روش طراحی آزمایش آماری باکس بنکن و با کمک نرم افزار Design Expert انجام شد. به منظور دستیابی به بیشترین میزان حذف رنگ به عنوان یک شاخص آلایندگی، شرایط بهینه توسط نرم افزار به صورت PH=3/06، میزان اکسنده هیدروژن پراکسید (ml)8/88، نسبت مولی کاتالیست آهن به اکسنده Fe/H2O2=0/1 انتخاب شد. در این شرایط بیشترین میزان حذف رنگ 76/5 درصد پیش بینی شد که در شرایط واقعی بازدهی 72/5 درصد را نشان داد که این مقدار اختلاف با توجه به خطای آزمایشگاهی (0/004>|R2-R2adj|) قابل قبول است. همچنین به منظور افزایش بازدهی حذف، روش الکتروفنتون به کار برده شد. در روش الکتروفنتون در شرایط بهینه فرایند فنتون((ml)H2O2=8/88 و PH=3/06) و چگالی جریان 10(mA)، بیشترین بازده حذف رنگ برابر 100 درصد به دست آمد.

طوفان فرو وزشی قادر به ایجاد جریانات ریزشی واگرا بر روی سطح زمین است که این رفتار، متفاوت از رفتار جریانات لایه مرزی اتمسفر است. در این پژوهش تأثیرات طوفان فرو وزشی بر مدلی مکعب شکل از سازه ها در دو راستای متفاوت برخورد با جریان (α) در چهار زاویه ی قرارگیری مختلف صفحه آزمایش نسبت به راستای ریزش جریان (θ) در فواصل شعاعی مختلف نسبت به مرکز جریان، بررسی شده است. شبیه سازی این جریان توسط دمنده ای که وظیفه ی یکنواخت سازی جریان ایجاد شده توسط فن تعبیه شده در پشت آن را دارد ایجاد شده است. سرعت و شدت آشفتگی جریان در فواصل شعاعی مختلف اندازه گیری شده است. همچنین، توزیع ضریب فشار بر اضلاع این مدل در مکان های و حالات اشاره شده اندازه گیری شده است. علاوه بر این در مقایسه ای که بین داده های این مطالعه با مطالعات قبلی انجام گرفت، مطابقت مناسبی بین این داده ها مشاهده شده است. مشاهده شد که در مرکز ریزش جریان، در تمام زاویای θ، سازه دارای ضریب فشار مثبت در اضلاع خود می شود. با فاصله گرفتن از مرکز، رفتار این جریان شبیه به جریانات لایه مرزی خواهد شد. با افزایش θ، مشخص شد که اختلاف ضریب فشار بین ضلع رو به جریان با سقف و ضلع پشت به جریان بیشتر شده که در بدترین حالت حدود 80٪ تغییر کرده است. با بررسی راستای برخورد جریان به مدل، مشخص شد ضرایب نیرو در زمانی که مدل در α=45° قرار بگیرد، حدوداً 35٪ کمتر از زمانیست که مدل در α=0° قرار بگیرد. درنهایت نیز مشخص شد که بیشترین مقدار ضریب نیرو در X/D=1بر سازه وارد می شود.

جریان گازها در نازل های سهموی بهینه تراست در شرایط فرامنبسط از فیزیک پیچیده تری نسبت به سایر نازل ها برخوردار است. تخمین صحیح عملکرد این نازل ها تا حدود زیادی به تخمین دقیق محل جدایش جریان وابسته است. مدل های آشفتگی معادلات ناویر-استوکس متوسط گیری شده رینولدز متداول به خاطر تخمین بالادستی تولید انرژی جنبشی آشفتگی در پیش بینی محل جدایش جریان در این نوع نازل ها با خطای قابل توجهی مواجه اند. اخیراً حالت عمومی شده مدل آشفتگی انرژی جنبشی آشفتگی- نرخ اتلاف مخصوص که توسط منتر ارائه شده با بکارگیری پارامترهای قابل تنظیم، امکان تصحیح شبیه سازی عددی را بر اساس فیزیک حاکم و بکارگیری نتایج محدود تجربی فراهم کرده است. در تحقیق حاضر، به شبیه سازی عددی فیزیک جریان در نازل سهموی بهینه تراست با مدل آشفتگی عمومی شده انرژی جنبشی آشفتگی- نرخ اتلاف مخصوص پرداخته شده است. ابتدا خطای فاحش مدل های آشفتگی متداول برای شبیه سازی جدایش جریان در این نوع نازل در شرایط فرامنبسط نشان داده شده است. سپس، پارامترهای حاکم بر این مدل عمومی شده با بکارگیری نمونه ای از نتایج تجربی نازل سهموی بهینه تراست، اصلاح شده و قابلیت این مدل برای تخمین فیزیک جریان در این نازل در شرایط مختلف مورد ارزیابی قرار گرفته است. بررسی های عددی نشان می دهد که مدل آشفتگی اصلاح شده برای تخمین دقیق فیزیک جریان و محل جدایش جریان از قابلیت بالایی برخوردار است، به طوری که بکارگیری مدل اصلاح شده همراه با ضرایب جدید باعث بهبود حدود 30 درصدی در تخمین محل جدایش نسبت به مدل مبنای انرژی جنبشی آشفتگی- نرخ اتلاف مخصوص، شده است.

در این تحقیق یک نمونه فلپ افزودنی جدید همراستا با خط انحنای مقطع پره ارائه و اثر اضافه شدن آن به پره یک توربین باد محور افقی و بهینه سازی محل و میزان طول آن مورد بررسی قرار گرفته است. استفاده از سطوح برآ افزای افزودنی به دلیل نیاز به تغییرات جزیی در پره های موجود نسبت به سایر روش های اصلاح هنندسه پره به منظور بهینه سازی آیرودینامیکی آن مقرون به صرفه تر است. اینکار باعث افزایش راندمان پره و در نهایت افزایش ضریب توان آن بدون نیاز به تغییر در هندسه پره مبنا می شود. بمنظور افزایش دقت الگوریتم المان مومنتوم پره، ضرایب آیرودینامیکی مقطع پره از حل عددی معادلات حاکم بر جریان بروش دینامیک سیالات محاسباتی بدست آمد در حالیکه در اکثر تحقیقات مشابه از روش های مبتنی بر نظریه خطی ایرفویل استفاده می شود. نتایج بدست آمده نشان داد که اصلاح انجام شده در الگوریتم المان ممنتوم پره باعث افزایش دقت حلگر در عین حفظ سرعت محاسبات آن شد. نتایج نشان می دهد که با استفاده از آرایش فلپ پیشنهادی مقدار ضریب توان توربین مبنا از مقدار 0/29 به 0/41 ارتقاء یافت که افزایش قابل ملاحظه ای را نسبت به روشهای دیگر نشان می دهد.

سیستم های دوفازی ابزاری مهم برای تشکیل قطرات محسوب می شوند که به دلیل کاربردهای متنوع در چند دهه اخیر بسیار مورد توجه قرار گرفته اند. در پژوهش حاضر، فرآیند تشکیل قطره ی آب در روغن در یک هندسه هم محور با استفاده از روش حجم سیال شبیه سازی می گردد و تأثیر پارامترهای مؤثر بر این فرآیند مانند سرعت و دانسیته فاز گسسته و همچنین کشش سطحی مورد بررسی قرار می گیرد. از نتایج حاصل برای تولید ذرات کروی گاما-آلومینا به روش قطره ی روغن استفاده می شود. در این پژوهش با ساخت یک سامانه آزمایشگاهی، عوامل مؤثر بر فرآیند تشکیل قطره بررسی گردد. نتایج عددی با داده های آزمایشگاهی اعتبارسنجی شده است. خطای اندازه گیری برای اندازه قطره حدود 5% و برای کرویت حدود 4% است. مطالعات نشان می دهد که اگر چه پارامترهای ذکر شده تأثیر زیادی روی اندازه قطرات و زمان جدایش دارند اما وابستگی اندازه قطرات به کشش سطحی و دانسیته فاز گسسته بیشتر است. افزایش کشش سطحی موجب افزایش اندازه قطرات و زمان جدایش می شود. همچنین، با افزایش دانسیته فاز گسسته، اندازه قطرات کاهش اما زمان جدایش افزایش یافته است. افزایش سرعت نیز با وجود تأثیر ناچیز، منجر به افزایش اندازه و کاهش زمان جدایش قطرات شده است.

در سال های اخیر، روش های عملگر در شبیه سازی های آیرودینامیکی مورد اقبال پژوهشگران قرارگرفته اند. این روش ها نسبت به روش هایی که در آن جسم صلب به صورت کامل مدل می شوند، سرعت محاسباتی بیشتری دارند، همچنین نسبت به روش های مرسومی که در آن از مدل های ساده شده، استفاده می کنند از دقت بیشتری برخوردار است. در این تحقیق روش صفحه ی عملگر برای شبیه سازی دو بعدی جریان حول ایرفویل در جریان پایا و تراکم ناپذیر به کار گرفته شده است. برای این منظور یک حلگر جریان به روش میانیابی اصلاح جرمی با مدل صفحه ی عملگر جفت شده است. به منظور ارزیابی دقت نتایج، روش صفحه ی عملگر با روش شبیه سازی کامل ایرفویل، مقایسه شده است. همچنین برای اولین بار تأثیر پارامترهای مختلف روش صفحه ی عملگر بر دقت شبیه سازی جریان موردبررسی قرارگرفته است. درنهایت نیز کانتورهای فشار و ورتیسیته با روش صفحه ی عملگر محاسبه شده و نتایج آن با نتایج حل عددی کامل ایرفویل مقایسه شده است. نتایج به دست آمده حاکی از آن است که اگر چه روش صفحه ی عملگر در محاسبه ی پارامترهایی چون سرعت و فشار، دقت متوسطی دارد، ولی قادر است نیروهای آیرودینامیکی و ساختار جریان را با دقت قابل قبولی پیش بینی کند. از روش ارائه شده دراین تحقیق، می توان به عنوان ابزاری کارامد در مطالعه نمونه های پیچیده تر استفاده نمود.

امروزه افزایش جمعیت و مصرف انرژی به خصوص تجدیدناپذیرها رشد قابل توجهی دارند. انتظار می رود با ارتقا سطح آگاهی مردم درباره ضرورت مصرف بهینه انرژی، انتخاب روش و تجهیزاتی که موجب مصرف کمتر انرژی ساختمان شود، بیشتر مورد استقبال قرار بگیرد. در میان سیستم های گرمایشی، سیستم گرمایش از کف می تواند با وجود ایجاد گرمای یکنواخت در همه نقاط ساختمان، مصرف سوخت را به سبب پایین تر بودن دمای کاری کاهش دهد. از سوی دیگر، در کشور ایران که از پتانسیل بالای انرژی خورشیدی برخوردار است، این امکان وجود دارد با ترکیب سیستم های گرمایش از کف و حرارتی خورشیدی بتوان با وجود کاهش مصرف سوخت فسیلی، گرمای مطلوبی در ساختمان، فراهم کرد. از اینرو در تحقیق حاضر، یک سیستم گرمایش از کف ترکیبی شامل یک سیستم حرارتی خورشیدی در کنار یک دیگ آب گرم برای گرمایش یک ساختمان در اقلیم سردسیر ایران طراحی و شبیه سازی شده است. نتایج حاصل از شبیه سازی نشان می دهد که سیستم گرمایش خورشیدی طراحی شده در این تحقیق می تواند به تنهایی 98/5 درصد از کل انرژی لازم برای تهیه آب گرم مصرفی ساختمان و 17/3 درصد از کل انرژی لازم برای گرمایش از کف را تأمین کند. این نتایج نشان می دهد که سیستم گرمایشی ارائه شده برای تأمین انرژی ساختمان در اقلیم سرد ایران بسیار مفید بوده و می تواند به مقدار قابل توجهی مصرف سوخت فسیلی را کاهش دهد.

بازده جذب انرژی تابشی خورشید یکی از چالش های مهندسان در سامانه های خورشیدی است. استفاده از نانوسیال های هیبریدی که از پراکنده سازی دو یا چند نوع نانوذره در سیال پایه حاصل می شود، می توانند در جذب بهتر انرژی خورشیدی کارآمد باشند. در پژوهش حاضر، تأثیر نوع، غلظت و درصد اختلاط نانوذرات بر خواص تابشی و راندمان جذب انرژی تابشی خورشید بصورت تجربی مورد آزمایش قرار گرفته است. در ابتدا نانوسیال هیبریدی اکسید منیزیم و نانولوله کربنی چند جداره با سیال پایه آب به روش دومرحله ای در غلظت های حجمی 0/01%، 0/02% و 0/04% ساخته شده و سپس خواص تابشی نانوسیال ها بصورت تکی و هیبریدی توسط دستگاه اسپکتروفتومتر اندازه گیری شده و با روابط موجود مورد بررسی قرار گرفته است. در ادامه برای بدست آوردن راندمان جذب انرژی تابشی خورشید از دستگاه شبیه ساز خورشیدی استفاده شده است. نتایج نشان می دهد افزایش غلظت نانوسیال، سبب بهبود خواص تابشی و راندمان جذب تابش می شود. بهبود 38 برابری ضریب تخفیف نانوسیال اکسید منیزیم،40 برابری نانولوله کربنی چند جداره و حدود 50 برابری نانوسیال هیبریدی آن ها نسبت به سیال پایه بدست آمده است. نانوسیال هیبریدی در بالاترین غلظت آزمایش (0/04% حجمی) و در عمق نفوذ 0.3 سانتی متر بیش از 90% انرژی خورشید را جذب می کند. با افزایش غلظت، هیبریدی شدن نانوسیال و افزایش عمق نفوذ، جذب انرژی خورشیدی نیز افزایش می یابد.

بهبود عملکرد چرخه رانکین آلی برای تولید همزمان توان، آب شیرین و حرارت با استفاده از انرژی خورشیدی برای پاسخگویی به نیاز در مناطق دور از مرکز از اهمیت بالایی برخوردار است. یکی از عوامل مؤثر در عملکرد این چرخه، رفتار ترمودینامیکی سیال آلی آن می باشد. تعیین گزینه مطلوب سیال عامل که هم در چرخه توان، هم تولید آب شیرین و همچنین حرارت از رفتار مناسبی برخوردار باشد از اهمیت ویژه ای برخوردار است. این پژوهش درصدد است تا با تحلیل، شبیه سازی و بهینه سازی یک چرخه رانکین تولید همزمان توان، آب شیرین و حرارت با استفاده از کلکتورهای سهموی خورشیدی به تعیین گزینه مطلوب بپردازد. لذا این چرخه با مخلوطی از سیالات آلی ، R152a,R600a و  R1234yfکه به ترتیب از خانواده سیالات تر، خشک و آیزنتروپیک هستند شبیه سازی می گردد. لذا ابتدا یک مطالعه ی پارامتری و در ادامه با استفاده از الگوریتم ژنتیک، بهینه سازی چندهدفه با توابع هدف توان، آب شیرین و حرارت به ازای کسر جرمی های مختلف از سیالات انجام شده است. نتایج نشان می دهد مخلوط سه جزئی برای دستیابی همزمان به سه هدف مناسب تر است در حالیکه که اگر یکی از اهداف مد نظر باشد بهتر است فقط از یکی از این سیالات با توجه به هدف مورد نظر بهره جست.

امروزه استفاده صنعتی و تحقیقاتی از تکنولوژی پلاسما حرارتی در فرایند پردازش مواد و امحا زباله های خطرناک بسیار کاربردی هستند. این تحقیق، طراحی و ساخت مشعل برای گازی سازی مواد کربن پایه مایع است، به نحوی خاص که این مواد باید با زاویه ای مشخص به داخل شعله مشعل پلاسما اسپری شود. در این تحقیق فقط به بررسی مشخصات ترمودینامیکی و الکتریکی مشعل پلاسما پرداخته ایم که یکی از قسمت های دستگاه امحا پسماندهای مایع است. مشعل پلاسما در دو حالت مورد آزمایش قرار گرفته است و در نهایت مشخصه های الکتریکی و ترمودینامیکی مشعل پلاسما اندازه گیری و تحت مقایسه قرار گرفت. طبق نتایج بدست آمده از آزمایش ها، مشعل پلاسما ساخته شده دارای ولتاژ الکتریکی بیشینه 210 ولت و همچنین راندمان حرارتی 86/2 درصد است. مقدار بیشینه آنتالپی پلاسما 21/5 مگاژول بر کیلوگرم و همچنین  بیشینه دمای بالک جت پلاسما در خروجی نازل 3400 کلوین است. با توجه به نتایج بدست آمده مشعل پلاسما طراحی شده در دما بالای 3000 درجه سیلسیوس در فاصله 20 میلی متری از خروجی نازل دارای آنتالپی21/5 مگاژول بر کیلوگرم و راندمان حرارتی مناسب 83 الی 86 درصد بوده است، که می تواند ترکیبات عالی و کربن پایه را به صورت کامل تحت فرایند گازی سازی قرار دهند.

در این مقاله به مطالعه عددی انتقال حرارت و فرایند ذوب ماده تغییر فاز دهنده در یک محفظه ذخیره سازی سه لوله ای فین دار به صورت دو بعدی پرداخته شده است. اثر چیدمان مواد تغییر فاز دهنده به صورت سیال های نیوتنی و غیرنیوتنی بر روند ذوب بررسی شده است. از مدل غیرنیوتنی توانی و روش آنتالپی-تخلخل بر پایه روش حجم محدود به ترتیب برای شبیه سازی سیال غیرنیوتنی و فرایند ذوب استفاده شده است. نتایج نشان می دهد که فرایند ذوب در محفظه میانی و بیرونی برای سیال نیوتنی نسبت به سیال غیرنیوتنی به مقدار3/03 درصد بیشتر می باشد. برای بررسی اثر چیدمان سیال نیوتنی و غیرنیوتنی در بخش داخلی و خارجی محفظه دو چیدمان مختلف در نظر گرفته شده است: سیال نیوتنی-غیرنیوتنی و سیال غیرنیوتنی-نیوتنی. نتایج بیانگر آن است که هنگامی که از آرایش سیال نیوتنی- غیرنیوتنی استفاده می شود فرایند ذوب نسبت به آرایش سیال غیرنیوتنی- نیوتنی سریعتر است. به طور میانگین در هر زمان، مقدار میانگین کسر ذوب در حالت سیال نیوتنی- غیرنیوتنی در حدود 10/32 درصد بیشتر از حالت دیگر است. با افزایش پارامتر شاخص سازگاری و کاهش شاخص توانی سیال غیرنیوتنی مقدار کسر ذوب کاهش یافته است. همچنین مشاهده می شود تغییرات عدد ناسلت نیز مشابه تغییرات کسر ذوب است.

مقاله حاضر، به بررسی اختلاف دمای محلی، میان ماده تغییر فاز دهنده و محیط متخلخل دوبعدی طی فرآیند ذوب با نظر گرفتن جابجایی طبیعی و شرط مرزی سینوسی، می پردازد. بدین منظور از تابع توزیع چگالی، برای حل معادله تکانه و از دو تابع توزیع جداگانه برای حل معادلات انرژی جهت محاسبه اختلاف دمای محلی و کسر مایع ماده تغییر فاز دهنده، استفاده شده است. بررسی تأثیر پارامترهایی نظیر دامنه و فرکانس نوسان و عدد اسپارو بر درصد اختلاف دمای محلی و مقایسه کسر مایع در دو حالت حضور و عدم حضور جابجایی طبیعی، از اهداف این مقاله است. نتایج نشان می دهد که با افزایش فرکانس نوسان از 1 به 3، درصد اختلاف دمای محلی از 41/44 % به 67/53% افزایش یافته و با افزایش دامنه نوسان از 1 به 3، درصد اختلاف دمای محلی از 41/44 % به 20/56 % کاهش می یابد. همچنین، با افزایش عدد اسپارو از 322 به 6000، درصد اختلاف دمای محلی از 41/44 % به 4/21 %  کاهش می یابد. از سوی دیگر، مشاهده می شود که با تغییر فرکانس نوسان، کسر مایع نسبت به شرایط رسانش محض تغییر چندانی نمی کند؛ حال آنکه با افزایش دامنه نوسان، درصد انحراف کسر مایع نسبت به رسانش محض، افزایش می یابد..

در راستای بهینه سازی مصرف گاز، این تحقیق افزایش راندمان حرارتی آبگرمکن مخزن دار گازسوز را به صورت عددی بررسی می نماید. قرار دادن موانع مناسب در تنوره، از خروج سریع گازهای احتراقی جلوگیری نموده و با تغییر شکل خطوط و نوع جریان، مانع هدر رفتن انرژی گرمایی می گردد. فرآیند احتراق، فرآیندی زنجیره ای بوده و کامل شدن آن به تدریج و در طول مسیر تنوره اتفاق می افتد، تحلیل عددی احتراق و طراحی موانع جهت بررسی انتقال حرارت در درون تنوره به صورت همزمان انجام گرفت. برای این کار با استفاده از نرم افزار دینامیک سیالات محاسباتی فلوئنت، ضمن شبیه سازی احتراق، هندسه های مختلف پیشنهادی برای موانع موجود در تنوره بررسی شد و با تحلیل منحنی های توزیع دما و سرعت گازهای داغ در تنوره و نیز میزان افزایش انتقال حرارت خالص به مخزن آب، بهترین نوع موانع که سبب افزایش راندمان حرارتی آبگرمکن شد، از نظر هندسه، طراحی و نیز محل قرارگیری بهینه آن ها، انتخاب گردید. با بررسی کسر جرمی گونه ها، مشاهده شد که مقدار متان خیلی نزدیک به صفر می باشد و این بدان معنی است که کل متان تقریباً مصرف شده است. در نهایت، نتایج عددی با نتایج تجربی مقایسه و صحه گذاری گردید.