مهندسی مکانیک امیرکبیر (امیرکبیر)
سال:1402 | دوره:55 | شماره:1 |تعداد مقالات:8

انرژی های تجدیدپذیر پایدار، پاک و اقتصادی هستند و آینده تأمین انرژی را برعهده دارند. این منابع به دلیل الگوی تولید غیرقطعی و تصادفی، قابلیت اطمینان پایین دارند. استفاده از منابع تولید انرژی ترکیبی به همراه منابع ذخیره کننده و پشتیبان، راه حل مسئله قابلیت اطمینان سامانه های تجدیدپذیر می تواند باشد. در این مقاله یک ریزشبکه ترکیبی مستقل از شبکه، متشکل از منابع تولید اولیه انرژی بادی و خورشیدی و یک سامانه پشتیبان باتری و ژنراتور با بکارگیری الگوریتم تصمیم گیری پویا، مدلسازی، ساخته، ارزیابی و سیزده طرح برای تأمین برق واحد مسکونی پیشنهاد شده است. نتایج نشان داد، استفاده از مدل تصمیم گیری پویا موجب افزایش کیفیت و بهره وری شده سامانه ها شده و در طرح استفاده 24 درصدی از انرژی های تجدیدپذیر، مصرف سوخت فسیلی روزانه 1/11 لیتر بوده و انرژی سالانه تولیدی سامانه تبدیل انرژی تجدیدپذیر ترکیبی معادل kWh/yr 1697 با خالص ارزش فعلی 553/68 دلار و نرخ بازگشت سرمایه داخلی 49/21 درصد با دوره بازگشت سرمایه 15/71 سال است. با افزایش ضریب انرژی تجدیدپذیر به 54 درصد، مصرف سوخت فسیلی 0/694 لیتر و انرژی تولیدی سالانه kWh/yr 1652 با دوره بازگشت سرمایه 17/61 سال محاسبه بدست آمد. مدیریت انرژی مصرف کننده ها با ضریب %100 انرژی تجدیدپذیر، سالانه kWh/yr 1933 انرژی بدون انتشار آلاینده های زیست محیطی و خالص ارزش فعلی 372/09- دلار است.

تأمین آب شیرین همواره یکی از مهم ترین دغدغه های بشر بوده و روش های مختلفی برای رفع این دغدغه مورداستفاده قرار گرفته است. از ساده ترین دستگاه های ساخته شده تصفیه آب شور به کمک انرژی خورشید، دستگاه آب شیرین کن خورشیدی پلکانی است. در این پژوهش به بررسی تجربی تأثیر استفاده از پارچه به عنوان ماده جاذب و متغیرهای مربوط به آن بر میزان تولید آب شیرین پرداخته شده است. در این راستا یک دستگاه آب شیرین کن خورشیدی پلکانی ساخته شده و متغیرهای مرتبط با پارچه و بر همکنش آن ها مورد آزمایش قرار گرفته است. متغیرهای بررسی شده در آزمایش عبارت اند از: جنس پارچه، رنگ پارچه، تعداد لایه های پارچه در سطح پلکان دستگاه، زاویه پارچه نسبت به سطح پلکان و ارتفاع سرریز آب در هر پله. طراحی آزمایش ها به روش تاگوچی انجام گرفته است. از میان متغیرهای بررسی شده، رنگ و جنس پارچه به عنوان مؤثرترین عوامل بر افزایش حجم آب شیرین مشخص شده اند. بر اساس نتایج به دست آمده، بیشترین استحصال آب در طول روز به میزان 2790 میلی لیتر بر مترمربع با استفاده از پارچه از جنس تنظیف سیاه در سه لایه و با زاویة 90 درجه نسبت به سطح پله و همچنین با ارتفاع سرریز آب 1 سانتی متر بوده است.

در میان روش های مختلف تأمین آب، روش استحصال آب از مه با توجه به مزایا و ویژگی های منحصر بفرد به تازگی مورد توجه بیشتر جوامع علمی قرار گرفته است. در این روش قطرات مه با استفاده از صفحات مشبک به دام افتاده و از هوا جدا می شوند. چالش اساسی پیش روی این فن آوری بازده کم استحصال آب از هوای مرطوب است که امکان استفاده در مقیاس های بزرگ را ناممکن می کند. برای غلبه بر این مشکل، ایده ی استفاده از کلکتور متخلخل فلزی در حضور میدان الکترواستاتیکی در کار حاضر مورد آزمایش قرار گرفت. پارامترهایی نظیر درصد تخلخل کلکتور، سرعت جریان هوا، شدت میدان الکتریکی و فاصله گسیل کننده تا کلکتور بر بازده استحصال آب از مه به صورت تجربی مطالعه شد. در محدوده درصد تخلخل های مورد بررسی، بازده آب گیری کلکتور با درصد تخلخل 95/6% بیشینه مقدار خود را دارد. همچنین کاهش فاصله گسیل کننده تا کلکتور باعث افزایش بازدهی می شود. بررسی اثر ولتاژ میدان الکتریکی بر بازده دستگاه نشان داد که با افزایش ولتاژ از 15 تا 24 کیلو ولت بازدهی دستگاه از 21% به بیش از 42% افزایش می یابد. در این ولتاژ پدیده اشباع ولتاژ روی داده به طوری که افزایش بیشتر ولتاژ بر روی بازده تأثیر چندانی ندارد. بررسی تأثیر سرعت جریان بر بازده دستگاه نشان داد که در سرعت 1/1 متر بر ثانیه بیشترین بازده دستگاه حاصل شده است.

در سال های اخیر، با رشد روزافزون مصرف گاز طبیعی در ایران، تعداد ایستگاه های تقلیل فشار افزایش چشمگیری داشته است. در شیرهای فشارشکن این ایستگاه ها، افت دﻣﺎی ناشی از اثر ژول- تامسون موجب هیدراته شدن گاز، یخ زدگی شیرآلات و انسداد مسیر انتقال می گردد. بدین سبب حدود 14000 دستگاه گرمکن حمام آب قبل از ورود گاز پرفشار به این شیرها، وظیفة پیش گرمایش آن را برعهده دارند. شوربختانه، بازدهی با میانگین 30 درصدی این گرمکن ها، سالانه نزدیک به یک میلیارد متر مکعب گاز طبیعی فرآوری شده معادل با ظرفیت نیروگاهی 400 مگاواتی را به هدر می دهد. پژوهش حاضر با هدف بهینه سازی این گرمکن ها، درصدد برقراری مصالحة بین بیشینگی کارآیی و کمینگی اتلاف و هزینة آن هاست. در این مقاله، با مدل سازی ترمودینامیکی و ترمواکونومیکی گرمکن ها، سه تابع هدف شامل بازده حرارتی، عدد آنتروپی تولیدی و عدد هزینة تلف شده، تعریف و سپس مدل ریاضی مسأله در قالب دو سناریو پیشنهاد شده است. آنگاه حل مدل براساس یکی از تکنیک های الگوریتم ژنیتک چندهدفه، با استفادة از روش کمینه سازی آنتروپی تولیدی و بکارگیری هم زمان نرم افزارهای ایز و متلب انجام گرفته و جبهة بهینة پارتوی هر یک از این سناریوها تعیین گردیده است. نتایج حاصل از پیاده سازی مدل با انحراف کمتر از 10 ± درصد نسبت به نتایج یک نمونة واقعی، حکایت از عملکرد قابل قبول آن دارد. بر پایة این نتایج، بهبود بازده حرارتی این گرمکن ها بسته به دبی حجمی گاز در بازة بین 48 تا 55 درصد امکان پذیر و دارای توجیه فنی - اقتصادی است. این نتایج که در قالب روابط، منحنی ها و گروه های بی بعد ارائه شده است، می تواند به عنوان مرجعی برای طراحی بهینة گرمکن های حمام آب مورد استفاده قرارگیرد.

ویژگی مهم بیماری های تنفسی ویروسی، انتقال و انتشار سریع این ویروس ها به واسطه فرایندهای تنفسی است. در مطالعه حاضر از دینامیک سیالات محاسباتی و انتقال حرارت به منظور بررسی جریان هوا درون دستگاه تنفسی و محیط اطراف در فرایند عطسه و همچنین نفوذ و پخش قطرات حاصل از عطسه برای یک مرد 65 ساله غیرسیگاری استفاده شده است. در این مطالعه حدود یک میلیون قطره با دمای اولیه 35 درجه سانتی گراد در داخل دهان تزریق شده است که بخش عمده ای از این قطرات را قطرات کوچک با قطر 4 الی 16 میکرون تشکیل می دهند. در مطالعه حاضر از مدل آشفتگی k-ω SST به منظور بررسی جریان و از رویکرد اویلر- لاگرانژ با دیدگاه یک طرفه به منظور بررسی نیروهای وارد بر قطرات و تغییر فاز قطرات استفاده شده است. برای یک عطسه معمولی انسان با بیشینه دبی هوای 553 لیتر بر دقیقه از درون دستگاه تنفسی با دمای 35 درجه سانتی گراد و رطوبت نسبی 95 درصد در محیطی با فشار هوای یک اتمسفر، دمای 24 درجه سانتی گراد و رطوبت نسبی 65 درصد مشخص شده است که بیشترین میزان نفوذ قطرات متعلق به قطرات بزرگ و برابر 3 متر است؛ درحالی که بیشترین میزان پخش قطرات متعلق به قطرات کوچک و برابر 1 متر است و نتایج حاصل از تبخیر قطرات مشخص کرد که بیش از 95 درصد قطرات تزریق شده در هنگام عطسه در پایان زمان 5 ثانیه تبخیر شدند.

در این پژوهش، تأثیر پارامتر های هندسی بر عملکرد اجکتورهای دوفازی جامد - مایع با روش عددی مطالعه شده است. معادلات حاکم بر جریان درون اجکتور شامل پیوستگی و اندازه حرکت، از دیدگاه اویلری به روش حجم کنترل حل شده است. پارامتر های هندسی مورد مطالعه شامل زاویه همگرایی، زاویه واگرایی، نسبت مساحت نازل به گلوگاه و موقعیت نازل (فاصله خروجی نازل تا ابتدای گلوگاه) اجکتور می باشند. در این مطالعه، پارامتر های طراحی مهم شامل نرخ مکش، فشار بحرانی و بازده اجکتور معرفی و برای تمامی پارامتر های هندسی محاسبه شده اند. برای شبیه سازی جریان ثانویه از دو مدل همگن و مخلوط دوفازی استفاده شده و نتایج نشان دهنده آن است که در کسر حجمی های پایین (5%)، داده های حاصل از هر دو مدل تطابق خوبی باهم داشته، به طوری که بیشترین خطا در نسبت مساحت0/26 ایجاد شده و مقدار 2/3% می باشد. نتایج نشان دهنده آن است که بازده اجکتور با افزایش زاویه همگرایی تا 20 درجه، افزایش یافته و بعد از آن بازده اجکتور کاهش می یابد. همچنین افزایش نسبت مساحت تا 0/22 باعث افزایش بازده اجکتور می گردد و بعد از آن بازده اجکتور کاهش می یابد. کاهش زاویه واگرایی و افزایش فاصله نازل تا گلوگاه موجب افزایش بازده اجکتور می گردد. علاوه بر اینها با تغییر پارامترهای هندسی مقدار بهینه ای برای هریک از معیارهای طراحی به دست آمده و با توجه به کاربرد اجکتور می توان از آن مقادیر استفاده کرد.

استاتورهای پیش چرخش می توانند به عنوان یک ابزار برای بهبود عملکرد هیدرودینامیکی پروانه و کاهش گشتاور اضافی پروانه در زیرسطحی ها عمل کنند. این گشتاور اضافی در زیرسطحی ها با مقطع دایره ای می تواند باعث ایجاد حرکت غلتشی (حرکت دورانی حول محور طولی) شود. مهم ترین و تاثیرگذارترین پارامتر در طراحی این نوع از استاتورها طول کورد، فاصله استاتور تا پروانه و زاویه حمله استاتور است. در این مقاله به بررسی این پارامترها با استفاده از روش تاگوچی جهت استفاده از استاتور برای یک زیرسطحی به منظور کاهش حرکت دورانی حول محور طولی زیرسطحی (کاهش گشتاور اضافی پروانه) و افزایش بازدهی سیستم رانش با استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی با کمک نرم افزار تجاری استار سی سی ام پرداخته شده است. به منظور اعتبارسنجی محاسبات، نتایج شبیه سازی یک پروانه سری بی با نتایج آزمایش تجربی مقایسه شده است، نتایج شبیه سازی با خطای کمتر از 10 درصد نسبت به داده های تجربی بدست آمده است. همچنین به منظور اطمینان از استقلال نتایج بدست آمده از شبکه بندی، از روش همگرایی شبکه استفاده شده است. استاتور نهایی طراحی شده برای زیرسطحی در عین حال که گشتاور را 44/47 درصد نسبت به حالت بدون استاتور کاهش می دهد، بازدهی سیستم رانش را نیز 2/29 درصد بهبود داده است. همچنین استاتور طراحی شده باعث کاهش گردابه (ورتکس) نوک پره و هاب پروانه شده است.

مسائل مهندسی به طور کلی مدل ریاضی پدیده های فیزیکی هستند. راه حل مسئله فیزیکی را می توان با استفاده از فناوری های مهندسی و شبیه سازی نظیر محاسبات عددی پیدا کرد. تکنولوژی واقعیت افزوده محتوای مجازی ایجاد شده توسط کامپیوتر یا تلفن همراه را با دوربین به محیط فیزیکی کاربران اضافه می کند. با استفاده از سیستم مبتنی بر واقعیت افزوده، بعد از تجزیه و تحلیل مهندسی، می توان نتایج حاصل از شبیه سازی را به صورت مدل دو یا سه بعدی منطبق با مکان و ابعاد جسم فیزیکی مستقیماً بر روی اشیاء دنیای واقعی قرار داد تا سبب درک بهتر نتایج شود. در این پژوهش با بهره گیری از ترکیب تکنیک واقعیت افزوده و دینامیک سیالات محاسباتی، مدل شبیه ساز میدان جریان در محیط داخلی با آلاینده های مختلف توسعه داده شده است. برای این منظور، ابتدا به بیان مفاهیم پایه مربوط به واقعیت افزوده و بررسی تفاوت آن با واقعیت مجازی پرداخته شده است. پس از بررسی شیوه پیاده سازی مدل پیشنهادی، نتایج حاصل از شبیه ساز توسعه یافته برای آلاینده های دی اکسید کربن و مونواکسید کربن بدست آمده است. برای ارزیابی مدل پیشنهادی، داده های حاصل از نرم افزار موبایلی با نتایج مرجع مقایسه شده است و نتایج به دست آمده نشان دهنده دقت و توان محاسباتی قابل قبول می باشد.