فهرست مطالب

مهندسی مکانیک شریف - سال سی و ششم شماره 2 (پاییز و زمستان 1399)

مجله مهندسی مکانیک شریف
سال سی و ششم شماره 2 (پاییز و زمستان 1399)

  • تاریخ انتشار: 1399/11/13
  • تعداد عناوین: 10
|
  • مهدی مرانلو، مهدی گنجیانی* صفحات 3-12

    خوردگی در سطح داخلی خط لوله با گرید $rm{x52}$، به کمک روش های استاندارد تخمین استحکام خطوط لوله خورده شده و اجزای محدود، بررسی و نتایج پژوهش همراه با نتایج آزمایشگاهی بررسی شده و با در نظر گرفتن پدیده ی خستگی ناشی از تغییرات فشار کاری، رشد ترک ناشی از خستگی و خوردگی به صورت هم زمان از روش های تحلیلی و اجزای محدود توسعه یافته مورد مطالعه قرار گرفت. تاثیر عوامل مختلف در ایجاد و رشد ترک ناشی از خستگی به کمک تحلیل اجزای محدود توسعه یافته نیز بررسی شده است. مشخص شد که روش سطح موثر با بیشینه ی 3٫83٪ خطا نسبت به اجزای محدود، تطابق خوبی با نتایج اجزای محدود و روش آزمایشگاهی دارد. ضرایب تنش مود اول روش تحلیلی با خطای 0٫43٪ نسبت به اجزای محدود توسعه یافته نشان از تطابق خوب نتایج روش های تحلیلی و اجزای محدود توسعه یافته در زمینه ی رشد ترک خستگی دارد.

    کلیدواژگان: خط لوله، فشار شکست، رشد ترک خستگی، خوردگی، اجزای محدود توسعه یافته
  • علی اکبر شامی، ابراهیم موسوی ترشیزی، علی جهانگیری* صفحات 13-19

    بویلرها از مهم ترین اجزای نیروگاه ها هستند. لوله های سوپرهیتر در بویلرها نقشی اساسی دارند. با توجه به شرایط کاری لوله های سوپرهیتر، معمولا بیشتر خرابی ها از این قسمت گزارش می شود. در نیروگاه مورد مطالعه، بیشتر خرابی ها در خم انتهایی سوپرهیتر پلاتن اتفاق افتاده است. هدف این بررسی یافتن علت خرابی است. سپس راه حل های ممکن برای حل این مشکل بررسی شد. با ملاحظات علت خرابی و مزایا و معایب این روش ها و نیز با توجه به نوع خرابی، روش مناسب انتخاب می شود که بر اساس روش گزینش شده و انجام محاسبات لازم، طرح های پیشنهادی برای جایگزینی طرح فعلی سوپرهیتر پلاتن نیروگاه 320 مگاواتی بندرعباس ارایه شد. این طرح ها در مقایسه با طرح فعلی نیروگاه اعتبارسنجی می شود. شرط پذیرش طرح پیشنهادی، مساوی بودن طول کل لوله ها در طرح اولیه و طرح پیشنهادی است. برای انتخاب بهترین طرح، طرح های پیشنهادی تجزیه و تحلیل سیالاتی و حرارتی می شوند. با توجه به نتایج آنالیز طرح جایگزین انتخاب خواهد شد.

    کلیدواژگان: تحلیل خرابی، سوپرهیتر پلاتن، ضخامت لایه ی اکسیدی، تحلیل CFD، متالوگرافی
  • ثارالله عباسی*، مریم علیزاده صفحات 21-30

    در این نوشتار اثر تغییرات سرعت رتورهای یک کمپرسور محوری چرخش معکوس بر عملکرد کمپرسور و رفتار جریان در آن بررسی می شود. نتایج بر اساس شبیه سازی عددی جریان ویسکوز به صورت سه بعدی با حل معادلات ناویر استوکس، پیوستگی و انرژی و با استفاده از نرم افزار تجاری Ansys-CFX ارایه شده است. در ابتدا، به منظور اعتبارسنجی نتایج حاصله، منحنی های تغییرات زوایای مطلق و نسبی جریان در هریک از رتورها در راستای شعاعی با استفاده از شبیه سازی حاضر استخراج و با نتایج تحقیقات دیگر مقایسه شده است که تطابق خوبی مشاهده می شود. به منظور بررسی اثر تغییرات سرعت رتورها، پنج حالت مختلف برای سرعت رتور دوم در نظر گرفته شده است. در حالت های اول و دوم سرعت رتور دوم به میزان 20 و 10 درصد کاهش نسبت به حالت مرجع (حالت سوم با سرعت های برابر برای رتور اول و دوم)و در حالت های چهارم و پنجم سرعت رتور دوم به میزان 10 و 20 درصد افزایش داده شده است. نتایج نشان می دهد که افزایش سرعت رتور دوم در حالت های چهارم و پنجم منجر به بهبود ساختار جریان، کاهش جریان های گردابه یی، کاهش انسداد در مسیر گذرگاه و نهایتا کاهش آنتروپی جریان می شود. به نحوی که منحنی عملکرد کمپرسور مقادیر دبی جرمی و نسبت فشار بیشتری را نشان می دهد. در مقابل کاهش سرعت رتور دوم منجر به ایجاد رفتار نامطلوب در ساختار جریان حتی در شرایط طراحی و خفگی شده و منجر به تقویت جریان نشتی نوک و افزایش آنتروپی جریان شده است. این امر کاهش نسبت فشار و دبی جرمی جریان را به همراه دارد.

    کلیدواژگان: کمپرسور محوری، چرخش معکوس، شبیه سازی عددی، منحنی عملکرد، استال
  • هدی مودب، سید محمدباقر ملائک، امیررضا کوثری* صفحات 31-39

    در این مطالعه روشی برای کمینه سازی هزینه ی شبکه ی مرکب حمل و نقلی ارایه می شود. زمینه سازی با اتکا بر هزینه ی عملیاتی مستقیم، «هزینه ی زمانی» و برای توری نمونه در محدوده ی جزایر خلیج فارس و با ترکیب هم زمان وسیله های آب پایه و هواپیما پیاده سازی شده و مسیرهای مختلف بهینه معرفی شده اند. بهینه سازی شبکه ی نهایی با استفاده از درخت پوشای کمینه و برنامه ریزی عدد صحیح با فرض هزینه های زمانی 6 و 8 دلار بر ساعت انجام پذیرفت. نتایج تخصیص هم زمان هواپیما و کشتی نشان گر آن است که استفاده از کشتی در مسافت های کم تر از 300 کیلومتر با هزینه ی زمانی 6 دلار بر ساعت و مسافت های کم تر از 200 کیلومتر با ارزش زمانی 8 دلار بر ساعت هزینه ی کم تری خواهد داشت. مقایسه ی دو روش بهینه سازی، بیان گر این است که طراحی شبکه ی گردشگری به روش برنامه ریزی عدد صحیح و طراحی شبکه ی هاب و اسپوک به روش درخت پوشای کمینه مقرون به صرفه است.

    کلیدواژگان: شبکه ی حمل و نقل هوایی، شبکه ی حمل و نقل دریایی، شبکه ی حمل و نقل ترکیبی، برنامه ریزی خطی، درخت پوشای کمینه
  • محمد آزادی*، حامد بهمن آبادی، جهانگیر ترکیان، غزاله نصرت صفحات 41-49

    در این پژوهش اثر افزودن ذرات نانورس بر ریزساختار، سطح شکست و خواص مکانیکی آلیاژ آلومینیوم پیستون در موتور خودرو بررسی شده است. برای این منظور، نمونه های آلومینیومی با/بدون ذرات نانو، به ترتیب ریخته گری گردابی و ثقلی شدند. با بررسی ریزساختاری مشخص شد که اندازه ی ذرات سیلیسیم در نتیجه ی افزودن ذرات نانورس، بزرگ تر و اندازه ذرات در فاز بین فلزی، کوچک تر شده است. نتایج آزمون کشش نشان داد که در نتیجه افزودن ذرات نانورس، تنش تسلیم، تنش کشش نهایی و تغییر طول آلیاژ پایه، افزایش و مدول یانگ، کاهش یافته است. با بررسی سطح شکست، مشخص شد که تقویت آلیاژ پایه با ذرات نانورس، منجر به افزایش تعداد ترک ها و کاهش طول آن ها شده است. تحلیل شیمیایی سطح شکست نیز نشان داد که آغاز و رشد میکروترک ها، در نواحی شامل ذرات بین فلزی صورت گرفته و افزودن نانوذرات، تاثیری در محل آغاز و رشد میکروترک ها نداشته است.

    کلیدواژگان: آلیاژ آلومینیوم، پیستون موتور خودرو، ذرات نانورس، خواص مکانیکی، ریزساختار، سطح شکست
  • محمدحسن پوررضایی، محمدرضا ملایری* صفحات 51-60

    مبدل های حرارتی با ساختار اسفنج فلزی مزیت های بالقوه فراوان دارند اما، مهم ترین چالش این گونه مبدل ها تشکیل رسوب ذره یی بر اثر سازوکار مهاجرت گرمایی (ترموفورسیس) است. در این مطالعه عملکرد ترموهیدرولیکی مبدل حرارتی اسفنجی در حالت تمیز، تحت شرایط جابه جایی اجباری، گرادیان دمایی و سرعت های گوناگون، به منظور بررسی وجود یا عدم وجود سازوکار مهاجرت گرمایی، با کمک مدل سازی عددی شبیه سازی و با داده های آزمایشگاهی اعتبارسنجی شده است. نتایج شبیه سازی عددی نشان می دهد که اختلاف دمای فاز سیال و جامد در ضخامت های مختلف اسفنج ناچیز است. بر این مبنا و با توجه به این که بیشینه نیروی محرکه ی سازوکار مهاجرت گرمایی در حالت تمیز مبدل وجود دارد، می توان گفت که به دلیل تعادل گرمایی بین فاز سیال و جامد، اختلاف دما بین دو فاز ناچیز بوده و در نتیجه در مبدل دارای ساختار اسفنج آلومینیومی، سازوکار مهاجرت گرمایی نقشی در رسوب ریزذرات روی سطوح الیاف تحت شرایط جابه جایی اجباری ندارد.

    کلیدواژگان: مبدل حرارتی، اسفنج فلزی، شبیه سازی عددی، فلوئنت، مهاجرت گرمایی، تشکیل رسوب
  • سعید کریمیان علی آبادی*، مهدی یادگاری، شاهین تیمورپور صفحات 61-71

    نوشتار حاضر به بررسی و مقایسه ی عملکرد توربین بادی محور عمودی با اعمال 5 روش کنترلی مختلف شامل روش های فعال مکش و دمش جریان و روش های غیرفعال ریبلت، حفره و ساختار متخلخل به عنوان شیوه یی جدید می پردازد. توربین باد انتخاب شده در این تحقیق از نوع داریوس و پارامتر مورد مطالعه در این بررسی ها عمدتا ضریب توان است. مشخصه های هندسی و ابعاد عملگرها تا حد امکان مشابه انتخاب شده تا امکان مقایسه ی بهتر فراهم شود. شبیه سازی و حل عددی جریان در نرم افزار استار سی سی ام به صورت دوبعدی انجام شده است. معادلات حل جریان، معادلات ناویر استوکس ناپایا و مدل توربولانسی $rm{k-varepsilon}$ انتخاب شده است. اعتبارسنجی نتایج بر مبنای داده های تجربی و برای حالت اولیه ی توربین که فاقد کنترل جریان است انجام شده است. سپس حل عددی برای هریک از شیوه های کنترلی انجام شده و ارزیابی صورت گرفته است. نتایج کیفی حاصل از میدان جریان نشان می دهد به میزانی که روش کنترلی در کاهش اثرات ناحیه دنباله موثر است، به همان میزان ضریب توان و یا راندمان بهبود پیدا کرده است. نتایج کمی نشان می دهد روش های کنترلی فعال دمش و مکش با بهبودی در حدود 6 درصد در نسبت سرعت نوک پره 1٫7 و 2٫64 عملکرد بهتری نسبت به سایر روش های کنترلی داشته اند. روش جدید معرفی شده که بکارگیری ساختار متخلخل در بخشی از پره است، به میزان 1 درصد بهبود عملکرد در نسبت سرعت نوک پره 1٫7 به همراه داشته که البته با لحاظ مزیت های اکوستیکی و کاهش نویز می تواند به عنوان یک روش غیر فعال مناسب کاربرد داشته باشد. در ادامه همچنین به بررسی پارامتریک هرکدام از این روش های کنترلی پرداخته شده است. میزان تغییر ضریب توان به شدت عملگر و نسبت سرعت نوک پره بستگی دارد. به عنوان یک نتیجه ی کاربردی می توان ترکیبی از این شیوه های کنترل جریان را در فازهای عملکرد متفاوت توربین پیشنهاد کرد.

    کلیدواژگان: توربین بادی محور عمود، کنترل جریان، ریبلت، حفره، مکش، دمش، ساختار متخلخل
  • علی حکاکی فرد*، محمدصادق فتحی صفحات 73-82

    در این نوشتار ابتدا «حرکت پریستالتیکی» به طور عام معرفی شده و بعد پمپ ساخته شده بر مبنای این حرکت و کاربرد آن بررسی شده است. سپس حرکت سیال در یک پمپ پریستالتیکی که به وسیله ی این مدل حرکتی، سیال درون لوله را جابه جا می کند، بررسی شده است. ابتدا با المان گیری سیال در ناحیه ی فشردگی دیواره ی لوله ی پمپ و نوشتن معادلات نویر استوکس (در حالت پایا) و ساده سازی معادلات با در نظر گرفتن شرایط مرزی لوله، توزیع سهموی سرعت سیال در لوله و نحوه ی تغییرات دبی پمپ به دست آمده است. سپس روابط فشار کششی پوسته ی لوله و فشار غلتک پمپ و فشار سیال نوشته شده و رابطه ی تعادلی بین این نیروها ارایه شده است. پس از آن با انتخاب فشار بیشینه ی سیال، نمونه یی خاص طراحی شده است. در ادامه رابطه ی بین سه متغیر فشردگی لوله، فشار سیال و فشار کشسانی لوله به خوبی توصیف شده است. همچنین نشان داده شده است که یک رابطه ی خطی بین سرعت، حرکت غلتک و سرعت انتقال سیال وجود دارد. نمودارهای دبی و فشار و توزیع سرعت سیال در موقعیت های مختلف فشردگی لوله به دست آمده و دبی کل برای یک نمونه ی عددی خاص محاسبه شده است. دبی به دست آمده از پمپ)سیال آب(دارای چهار غلتک چرخان، حدود 0٫1 لیتر بر دقیقه به دست آمده است.

    کلیدواژگان: پریستالتیک، فشردگی لوله، سرعت سیال، دبی، فشار سیال
  • آرمین دلالی، مرتضی خیاط*، مسعود زارع صفحات 83-95
    در این مطالعه اثر سطح میکروساختار شده برنجی و اثرات رسوب نانوسیالات در فرایند جوشش استخری بر مشخصه های انتقال حرارت بررسی شده است؛ سیالات پایه شامل: آب دیونیزه ی خالص، 70٪ آب 30٪ اتیلن گلیکول، 50٪ آب 50٪ اتیلن گلیکول، 30٪آب 70٪ اتیلن گلیکول که با ذرات نانولوله های کربنی چندجداره ی پایه ی OH در دو درصد حجمی 0٫025٪ و 0٫1٪
    ترکیب شده اند. شار حرارتی بحرانی و ضریب انتقال حرارت در جوشش سیالات پایه روی سطح میکروساختار شده نسبت به سطح صیقلی افزایش قابل ملاحظه یی یافت. در آزمایشات جوشش روی سطح میکروساختار شده در حضور نانوسیالات با افزایش غلظت نانوسیال، شار حرارتی بحرانی و ضریب انتقال حرارت افزایش یافته است. همچنین در سطح میکروساختار شده رسوب یافته توسط نانو ذرات، این دو پارامتر به ترتیب نسبت به سطح میکروساختار شده ی بدون رسوب افزایش و کاهش یافته است. در کلیه ی آزمایشات جوشش استخری سیالات پایه هیبریدی، با افزایش غلظت اتیلن گلیکول، شار حرارتی بحرانی و ضریب انتقال حرارت کاهش یافته است.
    کلیدواژگان: جوشش استخری، شار حرارتی بحرانی، میکروساختار، نانوسیالات پایه هیبریدی، رسوب نانوذرات
  • سید هادی بنی هاشمی، محمدرضا عصاری*، سید محمد جوادی، سعید وحیدی فر صفحات 97-108

    بهبود انتقال حرارت در مبدل های حرارتی با روش قرار دادن موانع مختلف، توجه زیادی را به خود جلب کرده است و تقریبا هندسه ی ارایه شده در تمام مطالعاتی که تاکنون انجام شده، بر روی موانع ثابت بوده است. در مطالعه ی حاضر اثر دوران مانع دیسکی از 50 تا 200 دور بر دقیقه در نسبت زوایای مختلف و در گام های 1 و 2 بر ضریب عملکرد حرارتی در مبدل پوسته و لوله از نوع آب وهوا در محدوده ی عدد رینولدز 9000 تا 26000 به صورت تجربی بررسی و نتایج مقایسه و گزارش می شود. با توجه به نتایج، بیشترین افزایش انتقال حرارت برای مانع با نسبت زاویه ی 0٫125 در نسبت گام 2 به دست می آید. عدد ناسلت، ضریب اصطکاک و ضریب عملکرد حرارتی نسبت به لوله ی صاف، به ترتیب 300، 38، 69 و 131 درصد افزایش می یابد. بیشترین ضریب عملکرد حرارتی مانع دورانی نسبت به مانع ثابت، 1٫62 برابر در نسبت گام 3، نسبت زاویه ی 0٫125 و سرعت دورانی 200 دور بر دقیقه ثبت شد.

    کلیدواژگان: دوران مانع، انتقال حرارت، جریان آشفته، مبدل حرارتی
|
  • M. Maranlou, M. Ganjiani * Pages 3-12

    Ensuring the safety of pipelines in the oil and gas industry is important to prevent financial losses and human injuries. One of the threats of pipelines is corrosion effects and it may occur locally and by repeating changes in loading and operation pressure conditions, it could lead to the phenomenon of fatigue in corroded pipelines. In this research, the corrosion of the inner surface of the API 5L Gr. x52 pipeline using ASME B31.G. and the finite element method was studied and the obtained results along with experimental results were compared. It was found that the effective area method of ASME B31.G. with a maximum error of 3.83% compared to the FEM had good compatibility with the FEM and the laboratory method. Then, by taking into account the phenomenon of fatigue due to working pressure changes, crack growth due to both fatigue and corrosion was studied simultaneously by theoretical methods and extended finite element method. The effect of various factors and conditions on the formation and crack growth due to fatigue by considering the effects of corrosion on the inner surface of the pipeline using XFEM was investigated. By the failure pressure of corroded pipelines, the fatigue crack growth would be investigated and by obtaining stress intensity factors using Paris law and XFEM, results would be investigated in terms of important factors in the fatigue crack growth and the significance and effect of depth and length of cracks on the stress intensity factors will be detected by the results of XFEM. Using the results, the effects of various factors such as corrosion area characteristics, crack geometry including crack depth, crack length, and fluctuations in fluid working conditions including work pressure in fatigue crack growth were investigated. In the model 61%, the first mode of the stress intensity factor of the theoretical method with an error of 0.43% compared to the XFEM showed good agreement with the results of the theoretical methods and the XFEM in the field of fatigue crack growth.

    Keywords: Pipeline, fatigue crack growth, XFEM, corrosion
  • A.A Shami, S. E. Moussavi Torshizi, A. Jahangiri * Pages 13-19

    Boilers are one of the most important parts of the power plants. Superheater tubes have the main role in boilers and are subject to degradation because of many working conditions. According to the pressure and temperature of the working condition of the superheater tubes in boiler, failure is usually reported from the superheater tubes. Therefore, identifying the causes of this failure and its prevention is quite important. The reports on the failure of platen superheaters in several similar boilers whose inlet and outlet header is the same for all tubes indicate that a particular part of the tubes is more vulnerable than the rest in tubes and the failures are concentrated there. Location of the most failures is at the end of the 135-degree bend of the platen superheater. Therefore, this case was investigated at a special 320 MW power plant where there were seven units. The objective of this investigation is to find the cause of the failure and solve the problem for working in a long time with safety. The preliminary examination showed that the damaged point in this group had a higher temperature than the other groups in the same position. To prove the existence of the higher temperature at these points, three methods were used: metallography, oxide layer thickness measurement, and CFD analysis and all the three methods confirm the results. In this paper, different solutions were introduced for the 320 MW power plant issue. Each of the solution methods is subject to certain advantages and disadvantage. Following the analysis, among the solution methods, one of them was selected as the best solution. Based on the method, some schemes were offered as suggested plans as an alternative to the platen superheater tubes. These schemes were validated in comparison to the power plant superheater. Then, the investigation focused on the geometry of schemes. In addition, all of the three schemes were analyzed by CFD method. Based on the analytical results, one of the schemes was chosen as an alternative plan to the platen superheater for the power plant.

    Keywords: Failure analysis, platen superheater, oxide layer thickness, CFD analysis, metallography, thermal analysis
  • S. Abbasi *, M. Alizadeh Pages 21-30

    The present study investigates the speed effect of rotational rotors on the performance of contra-rotating axial compressor and flow behavior. In the present study, a two-stage contra-rotating axial flow compressor with rotor-stator-rotor configuration is considered. The results are presented based on numerical viscous flow simulation in three dimensions by solving Navier-Stokes, continuity, and energy equations using Ansys CFX commercial software. Initially, to validate the results, the absolute and relative flow angle curves for each rotor in the radial direction were extracted using the present simulation and compared with the other investigations. To investigate the effect of different rotor speeds, five different speeds of the second rotor are considered. In the first and second cases, the second rotor speed is reduced by 20 to percent compared to the reference case (in the third case, the speeds of the first and second rotors are equal) and in the fourth and fifth cases, the speed of the second rotor is increased by to percent. The results show that increasing the second rotor speed in the fourth and fifth cases decreases the vortex flows, the blockage in the blade passage and consequently, decreases the flow entropy. The compressor performance curve shows a higher mass flow rate and pressure ratio. In contrast, decreasing the second rotor speed results in undesirable behavior in the flow structure even under design and choke conditions, leading to enhanced tip leakage flow and increased flow entropy which in turn decreases pressure ratio and mass flow rate as well. Results show that by reducing the revolution of the second rotor (in Cases I,II), the tip leakage flow is stronger, resulting in the interface of the main flow and tip clearance flow to upstream which creates vertical flows in design and chock conditions as well as stall condition. This occurrence causes an increase in the original losses and entropy in the compressor.

    Keywords: Axial compressor, contra-rotating, numerical simulation, performance curve, Rotating Stall
  • H. Moaddab, S. M.B Malaek, A.R. Kosari * Pages 31-39

    Based on World Tourism Organization (WTO) statistics in recent 70 years, the number of tourists has increased from 25 million in 1950 to 1 billion and 235 million in 2016. Extending and developing the transport network is one of the main reasons for this growth. A more developed transport network can improve the tourism rate in country which in return can help the economic growth rate. Iran is considered a very rich country in terms of natural and historical tourism resources; moreover, it has a great potential to become one of the main tourism hubs in the region. Meanwhile, in some cities and places, tourism standards have improved; however, in the southern islands of Iran, despite eye-catching attractions, there has not been enough concerns about them and this issue can be improved by developing the current transport network and designing a new one. In this study, based on the system-system approach, the focus is to design and offer different maritime and air transport solutions between some of Iran's islands in Persian Gulf. In this regard, the research aims to minimize the total cost of a combinational trip consisting of both aerial as well as maritime routes. The devised methodology was applied to finding optimal connecting routes among Persian Gulf islands. The method exploits both Direct Operating Cost (DOC) as well as the value of ``time factor''. In this study, the final network optimization was performed using two methods of minimum spanning tree and integer programming with exact solution, taking into account time factor of 6and 8 per hour. The results of the simultaneous allocation of aircraft and passenger ships indicate the use of ships at distances less than 300 km at a time factor of 6perhouranddistanceslessthan200kmatatimefactorof 8 per hour; also, a comparison of the two optimization methods used for network design shows that the design of the tourism network by integer programming and the hub-and-spoke network design by the minimum spanning tree will be efficient.

    Keywords: Minimum spanning tree, air transport network, maritime transport network, combinational network, linear programming
  • M. Azadi *, H. Bahmanabadi, J. Torkian, Gh. Nosrat Pages 41-49

    This research investigates the effect of the addition of nano-clay particles on the microstructure, fracture surface, and mechanical properties of the piston aluminum alloy in the automotive engine. To this end, aluminum samples with and without nano-particles were cast in stir and gravity conditions, respectively. Then, these initial cylinders were machined to have standard samples for tensile testing. Uniaxial tensile experiments were carried out in the displacement-controlled condition at a displacement rate of 1 mm/min for both reinforced and unreinforced aluminum specimens. Microstructure observations by the optical microscopy showed that the size of silicon particles increased and the size of intermetallic phases decreased due to the addition of nano-clay particles into the aluminum matrix. In addition, according to the uniaxial tensile test, the yield stress, the ultimate tensile stress, and the elongation of samples, made of the base metal, were enhanced. However, the Young modulus of specimens of the base metal decreased due to the addition of nano-clay particles. The fracture surface by the field emission scanning electron microscopy indicated that the reinforcement of the base material by nano-clay particles increased the number of cracks and decreased the total length of cracks. The mapping analysis by the Energy-dispersive X-ray spectroscopy, which was obtained from the fracture surface of the samples, implied that the crack initiation and the propagation occurred at the area, where intermetallic phases were located. Then, the addition of nano-particles into the aluminum matrix had no significant effect on the initiation location and the propagation of micro-cracks. Further investigations into this topic were done on high-cycle and low-cycle fatigue properties of both reinforced and unreinforced aluminum samples to find the effect of the addition of nano-particles to the aluminum matrix, which will be appeared in futures. Finally, it should be noted that the overall objective was to improve the aluminum alloy with nano-particles to have higher mechanical and fatigue properties in order to be used in high-performance engines.

    Keywords: Aluminum alloy, automotive engine piston, nano-clay particles, mechanical properties, microstructure, fracture surface
  • M.H. Pourrezaei, M.R. Malayeri* Pages 51-60

    Concerns about emissions and desire for their reduction have resulted in changes in automotive engine combustion systems. New developed EGR systems require high temperature and high-performance compact heat exchangers as well as capability of operating in harsh environments. Foams offer a large surface area per unit volume as well as high material thermal conductivity which would promote fluid mixing, thereby improving the overall performance of the heat exchanger. More interestingly, it is demonstrated that the foams can be cleaned easily without relying on expensive cleaning techniques. These interesting characteristics, along with recent improvements in foam fabrication methods, have resulted in several research efforts on the use of foams in compact heat exchangers, especially new EGR systems. One of the principal challenges is the deposition of particulate matter mainly as a result of thermophoresis in non-isothermal systems. Accordingly, in the present study, to investigate the significance of thermophoresis in open cellular metal foam, Two-Dimensional (2D) numerical simulations of a channel partially filled with aluminium foam as an EGR cooler were performed by ANSYS FLUENT 16.0 to solve local thermal non-equilibrium equation under clean conditions (maximum driving force of particle transport for thermophoresis mechanism). The attempted foam is made of aluminium and is embedded to the channel, meaning that the conduit is only filled with foam partially to compensate high pressure due to blockage. Thermo-hydraulic performance for a foam with density of 20 PPI is examined under different velocities and thermal gradients. The numerical results are compared with those of experiments. Under non-isothermal conditions, the numerical results confirmed that temperature gradient would be marginal for different thicknesses of aluminium foams because thermal equilibrium has been established, especially at foam and foam-free interface. Provided that maximum driving force for thermophoresis occurs at clean conditions, it is expected that this mechanism would have minimal impact at fouling conditions where particulate matter passes through the channel.

    Keywords: Heat exchanger, metal foam, numerical simulation, thermophoresis, fouling
  • S. Karimian Aliabadi *, M. Yadegari, Sh. Teymourpour Pages 61-71

    In this paper performance of vertical-axial wind turbine has been studied based on 5 different flow control techniques. The active methods selected here are suction and blowing and the passive methods are composed of using riblet, cavity and porous media, which the latter one is a new method. The benchmark turbine selected here is Darrieus type and the performance parameter is considered as power coefficient of the turbine. The geometry, location and depth of the actuators are assumed to be approximately equal in different methods aiming the better comparison. Two-dimensional CFD and flow simulation was carried out in Star-ccm+ software. The governing equations are unsteady Navier-Stokes equations and turbulence model is selected k-u{03b5}. The numerical result of the original wind turbine has been validated against experimental data. Then for each control method, numerical solution has been performed and being evaluated. The results show that the power coefficient or efficiency could be improved as much as the control method would reduce the wake region. The results also show that the blowing and suction control methods with about 6% improvement for TSR 1.7 and 2.64 have the better performance among all other methods. Using porous media as a new control method, improves power by about 1% in TSR 1.7. Considering the advantages in noise reduction, this new technique may be further investigated. In this paper also parametric study of each control methods have been performed. The change in power coefficient depends on both TSR and actuator intensity. Based on the numerical simulations it is recommended that a hybrid layout consisting active and passive flow control method applied over turbine blades.

    Keywords: Vertical axis wind turbine, flow control, riblet, hole, suction, injection, porous media
  • A. Hakkaki Fard *, M.S. Fathi Pages 73-82

    In this paper, first, the general idea of the peristaltic movement is introduced. Peristaltic movement is basically the contraction and expansion of a wall or pipe to move a fluid. Then, the peristaltic pump and its applications and the history of its development are introduced. Peristaltic pumps have many applications in the industry. Then, the movement of the fluid in the pipe of a peristaltic pump is investigated. To this end, the governing equations of a peristaltic pump are introduced and the considered assumptions are presented. Then, the solution to the Navier - Stokes equations (in the steady-state condition) is obtained by simplifying the governing equations, considering the involved boundary conditions. The obtained results are non-dimensionalized. Based on the obtained solution, the relationship of the parabolic radial velocity distribution inside the pump and the mass flow rate of the pump is determined. Then, based on the obtained solution, the tensile pressure of the pipe shell, the pressure applied to the wall by the pump roller, and the fluid pressure are obtained. Next, the relation between them is introduced by considering the equilibrium state between the forces applied to the tube shell. By considering the maximum fluid pressure of a sample pump, a peristaltic pump is designed for pumping water. Moreover, the flow and pressure diagrams and fluid velocity distributions at different tube compression positions of the designed pump are presented and discussed. As a result, the relationship among the pipe compression, the fluid pressure, and the tensile pressure of the pipe is well defined. Furthermore, the relationship between the flow rate of the pump and the speed of its rollers is presented. The linear relationship between the flow rate of the pump and the speed of its rollers is demonstrated and discussed. The volume of pumped fluid per minute is also calculated by determining the velocity of the rollers. The discharge flow from a pump (water fluid) with four rotating rollers is calculated about 0.1 liters per minute. In addition, a flow chart is presented to facilitate the procedures of designing peristaltic pumps.

    Keywords: Peristaltic, tube compression, fluid velocity, flow rate, fluid pressure
  • S.H. Banihashemi, M.R. Assari *, M. Javadi, S. Vahidifar Pages 97-108

    Improving heat transfer in heat exchangers by utilizing different obstacles is of great interest. Moreover, the geometry presented in almost all studies so far has been based on fixed obstacles. Therefore, the current study experimentally evaluates the effects of disk rotation (rotating speeds of 50 to 200 RPM) at different angle ratios and different pitch ratios (1 and 2) on the thermal performance coefficient of the pipe in the air-water heat exchanger with the Reynolds number ranging from 9000 to 26000, and the results are compared and reported. Placing obstacles in the path of the flow is one of the most common techniques for increasing passive heat transfer due to its advantages including easy manufacturing and low maintenance costs. On the other hand, excitation at the boundary layer affects the flow around it as well as the velocity distribution, momentum, and energy transfer. The geometry and location of the obstacle and how it plays an important role in the performance of the system. Various methods for increasing heat transfer in heat exchangers used in the industry as well as its processes to increase efficiency have been studied over the past years due to the importance of optimizing energy consumption and reducing damaging environmental impacts. The results of the current study can also be applied to the oil and gas industry. For instance, the thermal performance of city gas station heaters can be improved by using obstacles in the heating pipes. According to the results obtained in the study, the maximum increase in heat transfer for the obstacle was obtained at a pitch ratio of 2 and an angle ratio of 0.125. Compared to the smooth pipe, this procedure increased the Nusselt number, the friction coefficient, and the thermal performance coefficient by 300%, 69.38%, and 131%, respectively. Compared to the stationary obstacle, the highest thermal performance coefficient for the rotating obstacle was 1.62 times higher at PR = 3 and AR = 0.125 at a rotational speed of 200 RPM.

    Keywords: Obstacle rotating, heat transfer, turbulent flow, Heat exchanger