فهرست مطالب

مهندسی مکانیک امیرکبیر - سال پنجاه و سوم شماره 7 (مهر 1400)

مجله مهندسی مکانیک امیرکبیر
سال پنجاه و سوم شماره 7 (مهر 1400)

  • تاریخ انتشار: 1400/07/14
  • تعداد عناوین: 20
|
  • محسن کاظمی، امیرحسین فردی، محمدجواد مغربی* صفحه 1

    با ظهور ایرفویل های تغییرشکل پذیر، آیرودینامیک ایرفویل توربین های بادی و بال ها دچار تغییرات زیادی شد. در این پژوهش ضرایب آیرودینامیکی ایرفویل تغییر شکل پذیر بر مبنای ناکا0015 در محدوده عدد رینولدز 105 تا 106 و زاویه حمله ی 0 تا 12 درجه به کمک شبکه عصبی مصنوعی و الگوریتم ژنتیک بهینه سازی شده است. ابتدا ایرفویل ها به وسیله نقاط کنترل تصادفی در نرم افزار متلب تولید و در نرم افزار گمبیت شبکه بندی شدند، سپس در نرم افزار انسیس به صورت دو بعدی شبیه سازی شدند. نتایج شبیه سازی شامل ضرایب برآ و پسآ، نقطه جدایش و مرکز فشار به همراه نقاط کنترل برای آموزش شبکه عصبی مورد استفاده قرار گرفت. تابع آموزش دیده شبکه عصبی به عنوان تابع ورودی به الگوریتم ژنتیک داده می شود تا ضرایب مورد نظر بهینه سازی شوند. ضریب برآ، مرکز فشار، نقطه ی جدایش و نسبت ضریب برآ به پسآ به صورت تک هدفه بهینه سازی شدند، در بهینه سازی تک هدفه ضریب برآ با استفاده از ایرفویل تغییرشکل پذیر مقدار ضریب برآ 18% افزایش یافت. همچنین ضریب برآ و مرکز فشار، ضریب برآ و پسآ به صورت دو هدفه بهینه سازی شدند. در بهینه سازی دو هدفه ضریب برآ و پسآ، با تغییر شکل ایرفویل مقادیر آنها به ترتیب در 0/8 و 0/03 کنترل شد.

    کلیدواژگان: ایرفویل تغییرشکل پذیر، دینامیک سیالات محاسباتی، شبکه عصبی مصنوعی، الگوریتم ژنتیک
  • زهرا مهردوست* صفحه 2

    در این مقاله برای شبیه سازی جریان در محیط متخلخل شکاف دار، روش حجم محدود چند مقیاسی در شبکه های بی سازمان توسعه داده شده است. بدین منظور، الگوریتم هایی برای تولید شبکه های درشت مقیاس بی سازمان برای دامنه ماتریس و شبکه شکاف ها به صورت مستقل از یکدیگر ارایه شده است. الگوریتم های ارایه شده برای تولید شبکه های بی سازمان درشت مقیاس، قابلیت تطبیق بر اساس تغییرات محلی میدان نفوذپذیری را دارند. تطبیق شبکه های بی سازمان بر اساس میدان نفوذپذیری، تاثیر قابل توجهی بر بهبود نتایج حل چند مقیاسی در میدان های نفوذپذیری به شدت ناهمگن دارد. به کارگیری شبکه های بی سازمان تطبیقی در محیط متخلخل شکاف دار برای نخستین بار در این پژوهش صورت گرفته است. سلول های شبکه درشت مقیاس به گونه ای تولید می شوند که از تغییرات شدید مقادیر نفوذپذیری در امتداد مرزهای آن و همچنین از قرار گرفتن گره های شبکه درشت مقیاس در نواحی با نفوذپذیری پایین جلوگیری شود. برای کاهش هزینه های محاسباتی، کوپل شکاف-ماتریس فقط برای محاسبه توابع پایه در دامنه ماتریس در نظر گرفته شده است. به منظور ارزیابی الگوریتم های ارایه شده، مسئله های مختلف در حالت دو بعدی طراحی و حل شده اند. در پایان نشان داده شده است که روش حجم محدود چند مقیاسی با الگوریتم های ارایه شده یک روش عددی کارآمد برای شبیه سازی جریان در محیط متخلخل شکاف دار ناهمگن است.

    کلیدواژگان: روش حجم محدود چند مقیاسی، محیط متخلخل شکاف دار، شبکه های بی سازمان، مدل شکاف های گسسته
  • علی اسدی، سید مجید ملک جعفریان*، علیرضا تیمورتاش صفحه 3

    هرگاه یک جت سیال متقارن محوری به صورت عمودی به یک صفحه ی هدف افقی برخورد کند، یک پرش هیدرولیکی شکل می گیرد. پارامترهای مختلفی از جمله دبی جریان، قطر جت سیال، فاصله ی دهانه ی نازل تا صفحه ی هدف، کشش سطحی سیال و... در مطالعه ی این پدیده اهمیت دارند. تا کنون هیچ گاه اثر پارامتر مهم و کلیدی چرخش جت سیال در پرش های هیدرولیکی مورد توجه قرار نگرفته است. هدف اصلی در این تحقیق مطالعه ی اثر چرخش جت سیال بر پرش هیدرولیکی دایروی است. نتایج این تحقیق که به کمک روش آزمایشگاهی بدست آمده است، نشان می دهد هر چه قدر سرعت زاویه ای بیشتر شود، میزان افزایش شعاع پرش دایروی بیشتر می شود. این افزایش شعاع پرش با سرعت های زاویه ای نازل 8/132، 4/266 و 8/400 دور بر دقیقه نسبت به حالت نازل بدون چرخش، به ترتیب مقدار 29/3، 89/5 و 34/8 درصد می باشد. ترسیم نمودار شعاع بی بعد پرش بر اساس عدد بی بعد چرخش نشان می دهد که دو دسته خطوط قابل شناسایی است. دسته ی اول خطوط سرعت زاویه ای ثابت با شیب منفی و دسته ی دوم خطوط دبی ثابت با شیب مثبت است. همچنین آزمایشات نشان می دهد که پرش های هیدرولیکی ایجاد شده به وسیله ی یک جت چرخشی، با کمی اختلاف از روند نتایج تیوری اصلاح شده ی واتسون پیروی می کند.

    کلیدواژگان: پرش هیدرولیکی دایروی، جت چرخشی، سرعت زاویه ای نازل، تئوری اصلاح شده ی واتسون
  • رفعت محمدی*، محمد آقایی صفحه 4

    در این مقاله، ضربه قوچ ناشی از بستن سریع شیر در یک خط لوله با استفاده از حل عددی معادلات پیوستگی و اندازه حرکت شبیه سازی شده است. شبیه سازی برای یک روغن با لزجت زیاد و برای آب انجام شده است. رژیم اولیه در جریان آب آشفته و در جریان روغن، آرام بوده است. نتایج به دست آمده با نتایج آزمایشگاهی مقایسه شده و برای هر دو جریان، تطابق خوبی میان نتایج شبیه سازی و آزمایشگاهی در زمان های مختلف به دست آمده است. کانتورهای سرعت سیال در زمان های مختلف، دو ناحیه با رفتار متفاوت را در جریان گذرا نشان داده است. ناحیه مجاور جداره لوله و ناحیه محور لوله. در ناحیه مجاور لوله تاثیرات لزجت سیال غالب بوده، گرادیان های سرعت بزرگتر است و تغییرات سرعت سریعتر رخ می دهد. در حالیکه ناحیه محور لوله تحت تاثیر نیروهای اینرسی سیال است. با کاهش لزجت و افزایش عدد رینولدز، ناحیه محور لوله بزرگتر می شود. همچنین مطالعه پارامتری انجام شده و تاثیر پارامترهای مختلف بر شدت ضربه قوچ مطالعه شده است. نتایج به دست آمده نشان داده که می توان با کاهش ضخامت و طول لوله، کاهش دبی جریان، و یا استفاده از لوله با مدول الاستیسیته کمتر، شدت ضربه قوچ را به میزان قابل توجهی کاهش داد. به طور مثال با کاهش طول لوله از 60 متر به 18 متر، شدت ضربه قوچ 11 درصد کاهش می یابد.

    کلیدواژگان: ضربه قوچ، جریان گذرا، جریان تراکم پذیر، شبیه سازی عددی، امواج فشاری
  • حسین خالقی*، مارتین هنریچ، محمدجواد شهریاری صفحه 5

    در این مقاله به مطالعه عددی اصلاح پوسته با استفاده از شیارهای محیطی در یک فن گذرصوتی پرداخته شده است. چهار شیار محیطی در بالای یک پره ناسا 67 قرار داده شده و شبیه سازی های گذرا از نقطه خفگی تا نزدیکی واماندگی صورت گرفته است. نتایج نشان می دهد شیارهای محیطی باعث کاهش زاویه برخورد در لبه حمله پره می شوند. علاوه بر این، شوک ایجاد شده و جریان نشتی نوک پره به پایین دست جریان رانده می شوند. همچنین شبیه سازی ها نشان می دهد که شیارهای محیطی دو اثر بر روی میدان جریان انتهای پره دارند: 1- باعث افزایش مومنتوم در جهت جریان می شوند (جریان از پایین دست شیارها وارد و از بالادست آنها خارج و به جریان اصلی تزریق می شود). 2- باعث ایجاد یک مسیر جریان بین سطوح فشاری و مکشی در نوک پره (و در نتیجه کاهش اختلاف فشار این سطوح) می شوند. در واقع جریان در نزدیکی سطح فشاری به شیارها وارد و در سطح مکشی به گذرگاه پره تزریق می شود. در پژوهش حاضر مشاهده شد که خصوصا در نزدیکی نقطه واماندگی، میدان جریان در شیارها بسیار ناپایا است. نتایج نشان داد که بیشترین رفتار ناپایا در اولین شیار است که تغییرات زمانی دبی جرمی عبوری از این شیار در حدود 30 درصد میانگین زمانی دبی جرمی آن است. در نتیجه به منظور شبیه سازی اصلاح پوسته کمپرسور باید از حل ناپایا استفاده کرد و حل دایمی کافی نیست.

    کلیدواژگان: شیارهای محیطی، افزایش محدوده عملکرد، اصلاح پوسته، کمپرسور گذر صوتی
  • رضا جوان نژاد، محمود صفر، سرمد قادر* صفحه 6

    مواجه شدن با توربولانس هوایی یا در اصطلاح عامیانه چاله های هوایی نه تنها به منظور احساس آسایش برای مسافران از اهمیت بالایی برخوردار بوده بلکه برای ایجاد ایمنی، کارایی و اقتصادگرایی شرکت های هواپیمایی نیز دارای اهمیت فراوانی است. بدین منظور برای رسم نقشه ها ازسامانه پیش بینی همادی توسعه داده شده برای مدل میان مقیاس WRF با دو حوزه محاسباتی تودرتو (لانه ای) و با فواصل شبکه ای افقی 27 و 9 کیلومتر همراه با 49 تراز قایماستفاده شده است. جهت بررسی نحوه عملکرد شاخص مورد استفاده در پیش بینی توربولانس هوای صاف به طور انتخابی و برای دو مورد از رویداد های اتفاق افتاده طی فصول زمستان (بهمن 1398) و بهار (اردیبهشت 1399) رسم شده است. در همین راستا پژوهش حاضر با استفاده از تحلیل نقشه های همدیدی و محاسبه شاخص الرود و ناپ که بر پایه چینش قایم باد، تغییر شکل و همگرایی انجام شده است. نقشه های مختلف هواشناسی از جمله 500 هکتوپاسکال، میدان باد، شاخص ناپایداری جو و همچنین نقشه Skew-T گویای وجود توربولانس هوای صاف در مسیر پروازی بوده است. بررسی و تحلیل نتایج حاصله گویای وجود توربولانس هوای صاف با مقیاس سبک تا متوسط در مناطق پروازی یاد شده می باشد. مقایسه پیش بینی های صادر شده سامانه مذکور حاکی از وجود توربولانس با همان شدت ارایه شده پروازهای عبوری، حاکی از عملکرد مناسب سامانه پیش بینی همادی و شاخص انتخابی جهت پیش بینی توربولانس هوای صاف است.

    کلیدواژگان: توربولانس هوای صاف، شاخص توربولانس، سطوح پروازی، مدل WRF، پیش بینی همادی
  • شکوفه ملک محمدی، پویان هاشمی طاری* صفحه 7

    امروزه پتانسیل سنجی انرژی باد در مناطق کوهستانی به دلیل سرمایه گذاری بر انرژی های تجدیدپذیر مورد توجه محققان قرار گرفته است. استفاده از روش پیش بینی هوای عددی امکان شبیه سازی باد به صورت واقعی را فراهم می کند. در این پژوهش به کمک این روش و به طور خاص نرم افزار ورف ، باد در ناحیه مارتینی در کشور سوییس شبیه سازی شده است. این شبیه سازی دارای دقت افقی بسیار بالا (100متر) بوده که امکان استفاده از روش شبیه سازی گردابه های بزرگ را فراهم کرده است. هدف از انجام این پژوهش بررسی میزان موفقیت ورف در شبیه سازی باد و اثر افزایش دقت عمودی و اثر استفاده از دو مدل توربولانسی مقیاس زیر شبکه اسماگورینسکی و مدل انرژی جنبشی توربولانسی 1/5 بوده است. نتایج نشان می دهد که نرم افزار به خوبی قادر به شبیه سازی باد در مقایسه با داده های دریافتی از ایستگاه های اندازه گیری بوده و الگوی روزانه باد را به خوبی تولید کرده است. در منطقه ای که درون دره ای عریض و هموار قرار گرفته، دقت نتایج بسیار بالا بوده ولی در قله کوه ها خطای اندازه سرعت باد زیاد بوده است. در زمان وقوع بیشینه سرعت باد در قله کوه ها، با تغییر مدل توربولانسی مقیاس زیرشبکه از اسماگورینسکی سه بعدی به مدل انرژی جنبشی توربولانسی 1/5، خطا از 22 به 17 متر بر ثانیه و سپس با کاهش ارتفاع عمودی سلول ها از 47 متر به 37 متر، خطا از 17 به 7 متر بر ثانیه کاهش یافته است.

    کلیدواژگان: شبیه سازی باد، روش پیش بینی هوای عددی، نرم افزار ورف، شبیه سازی گردابه های بزرگ، پتانسیل سنجی انرژی باد
  • محمدکاظم مویدی*، فرشاد صباغ زادگان صفحه 8

    مدل‎سازی و شبیه‎سازی عددی به عنوان یک ابزار مناسب جهت تحلیل رفتار دینامیکی سیستم‎های مهندسی به‎شمار می‎رود. استفاده از این روش ها، بویژه برای مسایل ناپایا، معمولا نیازمند صرف زمان زیادی است. به همین دلیل، توسعه روش های با سرعت بالاتر و افزایش راندمان محاسباتی همواره به عنوان یک موضوع مهم مورد توجه پژوهشگران بوده است. روش کاهش مرتبه روشی است که در سالیان اخیر برای کاهش زمان محاسبات به‎طور گسترده‎ای مورد استفاده قرار گرفته است. در این روش، با کاستن از قیود سیستم، بدون تغییر در ویژگی‎های ذاتی مسیله، سرعت محاسبات به‎طرز چشم‎گیری افزایش می‎یابد. در این پژوهش، با بهره گیری از مفاهیم پایه ای سیستم های دینامیکی، دو مسئله نفوذ حرارتی و نفوذ-جابجایی ذرات سیال به‎صورت مستقل مورد بررسی قرار گرفته و با اسفاده از روش تجزیه متعامد بهینه، الگوی رتبه‎کاسته برای معادلات حاکم بر این پدیده‎ها ایجاد شده است. بر همین اساس، برای هر یک از مسایل، مبتنی بر تصویرسازی معادله حاکم در فضای برداری مودهای میدان، با استفاده از مودهای پرانرژی تر، مدل رتبه‎کاسته با توجه به ویژگی پایه ها به‎دست می آید. مدل به دست آمده به منظور شبیه سازی تغییرات زمانی فرآیند، به درستی می تواند جایگزین معادله اصلی شده و با دقت بسیار مناسبی رفتار سیستم موردنظر را پیش بینی کند. مقایسه نتایج حاصل از مدل رتبه‎کاسته حاضر با شبیه‎سازی های حاصل از حل عددی مستقیم در هر یک از مسایل، دقت بالا در محاسبات را نشان می دهد.

    کلیدواژگان: روش تجزیه متعامد بهینه، معادله نفوذ، معادله نفوذ-جابجایی، مدل رتبه کاسته
  • صادق رستمی ده جلالی، احسان خواصی*، پارسا نظمی صفحه 9

    جریان های گرانشی، جریان هایی با اهمیت و نقش گسترده در مطالعات اتمسفری و اقیانوسی هستند. جریان چگال هنگامی ایجاد می شود که یک سیال با چگالی متفاوت درون سیالی دیگر به حرکت درآید. اگر سیال با چگالی معین وارد محیط لایه بندی شده، شود، به گونه ای که چگالی آن از لایه های زیرین کمتر و از لایه های بالایی بیشتر باشد جریان گرانشی از نوع نفوذی است. ناپایداری های کلوین-هلمهلتز و هلمبو در سطح تماس این جریان ها دیده می شود. پارامترهای تعیین کننده در نوع ناپایداری عدد ریچاردسون موضعی (J) و نسبت ضخامت لایه برشی به لایه چگالی (R) است. در این پژوهش شبیه سازی عددی دو بعدی ناپایداری سطح تماس (امواج هلمبو) با دیدگاه اویلری-اویلری در جریان گرانشی نفوذی درون کانال، بررسی شده است. برای انجام این شبیه سازی از کد اپن فوم و با توجه به آشفته بودن جریان از روش شبیه سازی گردابه های بزرگ برای مدل سازی آشفتگی استفاده شده است. نتایج به دست آمده نشان می دهد، با افزایش چگالی جریان نفوذی مقدار عدد ریچاردسون کاهش و پارامتر R افزایش می یابد. هم چنین با افزایش چگالی، مقدار فرکانس امواج هلمبو ابتدا افزایش، سپس کاهش می یابد. علاوه بر این، مقدار طول موج امواج هلمبو با افزایش چگالی جریان نفوذی زیاد می شود ولی در عدد موج امواج، رفتار عکس دیده می شود. سرعت فاز امواج هلمبو نیز، روند مشخصی با تغییرات چگالی ندارد.

    کلیدواژگان: جریان گرانشی نفوذی، عدد ریچاردسون، نسبت ضخامت لایه برشی به لایه چگالی، ناپایداری هلمبو
  • سینا متقی، مصطفی نظری*، محسن نظری، ناصرالدین سپهری، امیر مهدوی صفحه 10

    در میان مطالعات انجام شده در زمینه تولید قطره، تنها تعداد معدودی از آن ها به کنترل حلقه بسته اندازه میکروقطره به صورت آنلاین پرداخته اند. بدین ترتیب در مطالعه پیش رو، ابتدا یک میکروکانال جریان متمرکز شونده به روش فوتولیتوگرافی ساخته شد. سپس آب دو بار تقطیر با دبی ثابت به عنوان سیال فاز گسسته و روغن به عنوان سیال فاز پیوسته به وسیله دو پمپ سرنگی مجزا درون میکروکانال تزریق شدند و بدین ترتیب تولید قطرات آب در روغن صورت پذیرفت. سپس با استفاده از یک میکروسکوپ دیجیتالی سرعت بالا به همراه یک الگوریتم پردازش تصویر، قطر قطرات تولید شده اندازه ‏گیری شد. پس از ایجاد ارتباط بین میکروسکوپ، پمپ های سرنگی و کامپیوتر، طراحی یک فلودیگرام کنترلی صورت پذیرفت. همچنین به منظور کنترل قطر قطرات، دبی فاز پیوسته به عنوان پارامتر کنترلی انتخاب و با استفاده از کنترل‏کننده PID کنترل شد. بدین ترتیب در این مطالعه برای اولین بار قطر قطرات تولید شده در یک میکروکانال به صورت لحظه‏ای اندازه گیری و بازخورد آن دریافت شده است. نتایج عملی برای سه قطر مطلوب 100، 140 و 160 میکرومتر نشان داد که در هر سه حالت سیستم کنترلی توانست قطر قطره ‏های در حال تولید را در مقدار مطلوب تنظیم کند. همچنین با تغییر پله‏ای دبی فاز گسسته، از عملکرد مطلوب کنترل‏ کننده در زمان اغتشاش اطمینان حاصل شد.

    کلیدواژگان: میکروکانال جریان متمرکز شونده، کنترل فعال، کنترلر PID، جریان دوفازی، میکروقطره
  • نادیا پهلوانی نژاد، معصومه رحیمی*، علی اکبر رنجبر، مجید گرزین صفحه 11

    یکی از راهکارهای افزایش انتقال حرارت در مینی کانال ها اضافه نمودن مولدهای گردابه است؛ در این مقاله به بررسی عددی تاثیر حضور حفره در مولدهای گردابه، بر روی مولفه های انتقال حرارتی پرداخته شده است. مینی کانالی بطول 50 میلیمتر با یازده عدد مولد گردابه مستطیل شکل، دارای حفره هایی به حجم 5 تا 60 درصد حجم مولد گردابه، در محدود اعداد رینولدز 200 تا 1000 و سیال پایه آب، تحت شار ثابت در این مطالعه، مورد تحلیل قرار گرفته است. نتایج نشان می دهد، ایجاد حفره روی مولدهای گردابه افت فشار حاصل از وجود موانع در برابر جریان را کاهش داده و در عدد رینولدز 1000بین مینیمم و ماکزیمم درصد حفره می توان کاهش 34/7 درصدی افت فشار را مشاهده نمود. عدد ناسلت نیز در محدوده اعداد رینولدز در نظر گرفته شده، در ابتدا با ایجاد حفره روند افزایشی و سپس با افزایش اندازه آن بدلیل کوچک شدن گردابه در پشت موانع، روند نزولی داشته است؛ بطوریکه در ماکزیمم عدد رینولدز با افزایش اندازه حفره، کاهش 34/3 درصدی عدد ناسلت مشاهده شد. همچنین نتایج نشان داد که ماکزیمم معیار ارزیابی عملکرد برای عدد رینولدز 200، در نمونه VG-15 و با افزایش عدد رینولدز در نمونه هایی با حفره های کوچکتر بدست آمده، که در رینولدز 1000 ماکزیمم مقدار معیار ارزیابی عملکرد در نمونه VG-05 نشان داده شده است.

    کلیدواژگان: انتقال حرارت، مینی کانال، مولد گردابه، حفره، معیار ارزیابی عملکرد
  • حسام مویدی* صفحه 12

    در مقاله حاضر، تاثیر حضور بافل بر الگوی جریان و افزایش انتقال حرارت جابجایی اجباری نانوسیال مس با پایه آب در محدوده رژیم آرام روی یک پله پسرو به صورت عددی مورد مطالعه قرار گرفته است. در این مطالعه، تاثیر پارامترهای هندسی بافل از قبیل ارتفاع، عرض و تعداد آن و همچنین عدد رینولدز و کسر حجمی نانوذرات بر الگوی جریان و انتقال حرارت مورد ارزیابی قرار گرفته است. به منظور ارزیابی همزمان افزایش انتقال حرارت و افت فشار، شاخص ارزیابی عملکرد تعریف شده است. نتایج نشان می دهد که شاخص ارزیابی عملکرد در حضور بافل در تمامی شرایط مقداری بزرگتر از 1 دارد که نشان دهنده موثر بودن حضور بافل بر راندمان حرارتی می باشد. نتایج حاکی از آن است که با افزایش ارتفاع بافل، عدد رینولدز و کاهش کسر حجمی، شاخص ارزیابی عملکرد افزایش می یابد. همچنین با افزایش ارتفاع بافل، اندازه طول اتصال مجدد (Xr) کاهش می یابد. در تمامی شرایط، مقدار افزایش عدد ناسلت متوسط و شاخص ارزیابی عملکرد، برای عرض بافل wb=2H نسبت به سایر مقادیر عرض بافل، به ترتیب حدود %6/7 و 15% می باشد. نتایج نشان می‎دهد که حضور 2 بافل بهتر از تعداد دیگر بافل ها است. به منظور جمع بندی، یک رابطه برازش برای Num/Num0 همچون تابعی از عدد رینولدز (Re)، کسر حجمی نانو ذرات (φ)، تعداد بافل (N)، ارتفاع بافل (hb) و عرض بافل (wb) با خطای متوسط %88/2 ارایه شده است.

    کلیدواژگان: تحلیل عددی، پله پسرو، نانوسیال، بافل، انتقال حرارت
  • یحیی مالمیرچگینی، نیما امانی فرد* صفحه 13

    در این مطالعه، جریان هیدرودینامیکی و انتقال حرارت در یک لوله افقی صاف نیمه عایق، تحت انتقال حرارت جابجایی اجباری با شار حرارتی ثابت در حضور میدان مغناطیسی به صورت عددی مورد بررسی قرار گرفته است. در نتیجه، اثرات تغییرات چگالی، ظرفیت حرارتی ویژه، ضریب هدایت حرارتی و ویسکوزیته سیال وابسته به دما بر مشخصه‎های اصطکاکی جریان و ضریب انتقال حرارت موضعی و متوسط مورد مطالعه قرار گرفته است. ابتدا به منظور اعتبارسنجی، نتایج عددی حاضر با نتایج تحلیلی و همچنین نتایج تجربی در یک لوله صاف تحت شار حرارتی ثابت مقایسه شده که از تطابق مطلوبی برخوردار می باشد. نتایج نشان می‏دهد که اختلاف چشمگیری بین نتایج خواص ثابت و خواص متغیر برای سیال روغن ترانسفورماتور وجود دارد. تغییرات پروفیل سرعت سیال، منجر به تغییر در مشخصه‎های سیال از جمله ضریب اصطکاک و ضریب انتقال حرارت شده است. با در نظرگرفتن تغییرات پارامترها نسبت به خواص ثابت مشاهده شد که ویسکوزیته سیال پایه و نانو سیال به ترتیب با تقریب 30 و 25 درصد افزایش در ضریب انتقال حرارت و ضریب اصطکاک ظاهری نسبت به خواص ثابت، بیشینه اثرگذاری را دارد. با وجود وابستگی خواص حرارتی نانو سیال به ویسکوزیته وابسته به دما، تغییر ضریب هدایت حرارتی منجر به افزایش 35 درصدی ضریب انتقال حرارت در حضور میدان مغناطیسی شده است.

    کلیدواژگان: تحلیل عددی، خواص سیال، میدان مغناطیسی، نانو سیال، انتقال حرارت
  • مسعود یاراحمدی، محمدمحسن شاه مردان، محسن نظری*، علیرضا اصغرزاده صفحه 14

    در مطالعه حاضر با ساخت بستر آزمایشگاهی به بررسی تجربی انتقال حرارت جریان جوشش مادون سرد در بین دو لوله هم مرکز عمودی با قطر داخلی و خارجی بترتیب 7/50 و 6/70 میلی متر در فشار اتمسفریک و سیال کاری آب پرداخته شده و اثر پارامترهایی مانند شار حرارتی، دبی جرمی، دمای مادون سرد ورودی و استفاده از فوم فلزی برروی ضریب انتقال حرارت بررسی شده است. نتایج بدست آمده از این پژوهش که محدوده دبی جرمی kg/s 012/0 تا kg/s 0286/ می باشد، نشان می دهد که درطول تمام مراحل آزمایش، انتقال حرارت از دو مکانیسم جابجایی اجباری و جوشش جریانی تشکیل می یابد که اثر هر یک از پارامترهای فوق بر روی این دو مکانیسم انتقال حرارت مورد بررسی قرار گرفته است. ضریب انتقال حرارت به شدت تابعی از شار حرارتی اعمال شده می باشد. در واقع، با زیاد شدن شار حرارتی، ضریب انتقال حرارت افزایش یافته و با تغییر دبی جرمی در محدوده ذکر شده در ناحیه جوشش مادون سرد، تا 30% افزایش می یابد. نتایج آزمایش ها نشان داد که با کاهش دمای مادون سرد ورودی، ضریب انتقال حرارت افزایش می یابد. همچنین استفاده از محیط متخلخل فوم فلزی، ضریب انتقال حرارت جریان جوشش مادون سرد را تا حدود 30 درصد افزایش می دهد. اعتبارسنجی نتایج تجربی بدست آمده نیز با گزارشات معتبر گذشته انجام شده است.

    کلیدواژگان: انتقال حرارت، جریان جوشش مادون سرد، بستر آزمایشگاهی، لوله عمودی
  • سپهر صنایع*، سیده فاطمه موسوی زواجری صفحه 15

    در مقاله ی حاضر تغییرات برحسب زمان دمای خاک، حول مبدل های حرارتی زمینی پمپ های حرارتی زمین گرمایی در دو راستای محوری (عمق) و شعاعی بررسی شده است. تغییرات توزیع دمای خاک اطراف مبدل های حرارتی زمینی، نقش مهمی در عملکرد حرارتی، مصرف برق و ضریب عملکرد پمپ های حرارتی زمین گرمایی دارد؛ بنابراین پژوهش حاضر به مدل سازی عددی و سه بعدی وابسته به زمان دو مبدل حرارتی یوشکل و لوله های هم مرکز با هدف بررسی تاثیر دو مبدل بر توزیع دمای خاک پرداخته است. شبیه سازی با نرم افزار انسیس فلوینت 16 و بر مبنای روش حجم کنترل انجام شده است. عملکرد دو مبدل برای نرخ های جرمی مختلف سیال خنک کن کندانسور (در مصارف تابستانی پمپ حرارتی زمین گرمایی)، با یکدیگر مقایسه گردیده است. طبق نتایج حاصل، میزان نرخ انتقال حرارت به زمین در مبدل لوله های هم مرکز، با در نظر گرفتن جهت تزریق سیال به لوله ی داخلی آن، در مقایسه با مبدل یوشکل در نرخ های جرمی سیال خنک کننده کندانسور معادل با 8/0، 1 و 2/1 کیلوگرم بر ثانیه، به ترتیب حدود 34/5، 9/11 و 5/16 درصد بیشتر است. با بررسی تاثیر دو مبدل بر توزیع دمای خاک بعد از 93 روز، مشاهده می شود که تاثیر مبدل یوشکل بر توزیع دمای عمق های کمتر از 6/36 متر از زمین، بیشتر است درحالی که مبدل لوله های هم مرکز توزیع دمای خاک لایه های عمیق تر را بیشتر تحت تاثیر قرار می دهد.

    کلیدواژگان: مبدل حرارتی زمینی یوشکل، مبدل حرارتی زمینی لوله های هم مرکز، پمپ حرارتی زمین گرمایی، توزیع دمای خاک
  • محسن ملکی پور، مجید سبزپوشانی*، احسان هوشفر صفحه 16

    با گسترش استفاده از باتری های لیتیوم-یون در صنایع، افزایش دمای آنها به عنوان یک چالش شناخته شده است. در این تحقیق با تکمیل سیستم مدیریت حرارتی ترکیبی، تاثیر اضافه نمودن ذرات نانوتیتانیا به ماده تغییرفازدهنده پارافین روی عملکرد خنک کاری باتری در دو حالت توان حرارتی ثابت 5/4 و 14 وات بررسی شده است. سیستم ترکیبی شامل نانوپارافین و فوم فلزی به همراه دو نوع سیال عامل آب و هوا است. نانوذرات در چهار درصدحجمی 1، 2، 3 و 4 با پارافین ترکیب شده اند. برای سیال عامل هوا، در حالتهای پارافین خالص و چهار ترکیب نانوپارافین، دمای باتری به ترتیب برابر °C 56.2 ، °C 51.8 ، °C 50.7 ، °C 49.3 و °C 48 بدست آمده است. لذا از بین موارد بررسی شده، حالت نانوپارافین 4 درصد حجمی بیشترین کاهش دمای باتری داشته که نسبت به حالت پارافین خالص، حدودا 17% است. در سیستم با سیال عامل آب و در عدد رینولدزهای 420؛ 600 و 720 ، با استفاده از فوم مسی و نانوپارافین، باتری به دمای پایدار به ترتیب °C 48؛ °C 46 و °C 44 رسیده که در مقایسه با حالت پارافین خالص، باعث کاهش دما به میزان 11%، 12% و 5/12% شده است. لذا با توجه به کم بودن ضریب هدایت حرارتی پارافین، افزودن نانوذرات باعث افزایش نرخ انتقال حرارت از باتری شده و گزینه مناسبی برای سیستم ترکیبی مورد مطالعه می باشد.

    کلیدواژگان: انتقال حرارت، نانوپارافین، باتری های لیتیوم-یونی، روش تجربی
  • سید علیرضا ذوالفقاری*، پیمان ابراهیمی ناغانی، مهدی معرفت صفحه 17

    در این تحقیق سعی شده است تا به روش آزمایشگاهی، تاثیر وزش هوا در سیستم تهویه انفرادی به ازای دو دمای هوای ورودی (24 و 32 درجه سلسیوس) و دو حالت مختلف جانمایی دریچه ورودی (دریچه روی میز و دریچه زیر میز)، بر توزیع دما و سرعت در ناحیه حضور افراد و نیز احتمال وقوع نارضایتی موضعی کوران مورد ارزیابی قرار گیرد. نتایج نشان داد که عمق نفوذ حرارت و مومنتوم در اثر دریچه های ورودی با هم برابر نیست؛ به طوری که تاثیر دمای دریچه بر توزیع دمای اتاق تا فاصله حدود 60 سانتیمتری قابل توجه است. این در حالی است که تاثیر سرعت ورودی دریچه تا فاصله حدود 110 سانتیمتری محسوس می باشد. در نتیجه، احساس حرارتی افراد تا فاصله حدود یک متری از دریچه، تحت تاثیر شرایط جریان ورودی قرار خواهد داشت. ضمن اینکه نتایج حاکی از آن است که نارضایتی ناشی از کوران در راستای افقی تا فاصله حدود 180 سانتی متری از دریچه محسوس است. همچنین بر اساس نتایج به دست آمده، سرعت و شدت اغتشاشات دو عامل اصلی در تعیین نارضایتی ناشی از کوران در سیستم تهویه انفرادی هستند و به دلیل اختلاط سریع و همدمایی هوای ورودی با هوای اتاق، دمای ورودی تاثیر قابل ملاحظه ای بر نارضایتی ناشی از کوران ندارد.

    کلیدواژگان: سیستم تهویه هوای انفرادی، تحقیق آزمایشگاهی، الگوی جریان، نارضایتی ناشی از کوران
  • سید امید حقانی، ابراهیم براتی* صفحه 18

    هنگام آتش سوزی در تونل ها، ایجاد مسیر امن عاری از دود با استفاده از سیستم های تهویه، برای فرار مسافران و انجام عملیات نجات ضروری است. چرا که بسته بودن محیط تونل عواقب ناشی از تصادفات و سوانح را افزایش می دهد. در مطالعه حاضر، استفاده همزمان تهویه طولی و مکش دود از سقف در آتش سوزی داخل تونل ها و پدیده های فیزیکی حاکم بر آن مورد بررسی قرار می گیرد. روش تحقیق به صورت عددی و از نرم افزار متن باز شبیه ساز دینامیک آتش (اف دی اس) استفاده می شود. این شبیه سازی جهت بررسی تاثیر فاصله طولی سیستم مکش دود از منبع آتش بر روی طول جریان برگشتی دود و حداکثر دما در دو شرایط کاری مورد استفاده این سیستم در پایین دست و بالادست منبع آتش انجام شده است. در کار حاضر سیستم مکش دود در سقف تونل قرار گرفته است. نتایج نشان می دهد استفاده از یک سیستم مکش دود در بالادست منبع آتش منجر به افزایش میزان بیشینه دما خواهد شد؛ اما استفاده از همین سیستم در پایین دست منبع آتش سبب کاهش دما در طول تونل و عدم برگشت جریان دود خواهد شد؛ اما در انتخاب سرعت مکش دود باید دقت شود تا از پدیده plug-holding جلوگیری شود. همچنین بررسی ها نشان داد استفاده همزمان از دو سیستم مکش دود در بالادست یا پایین دست منبع آتش به جای سیستم های منفرد نتیجه مطلوب تری خواهد داشت و می تواند میزان بیشینه دما را تا 10 درصد کاهش دهد.

    کلیدواژگان: تونل، آتش سوزی، بیشینه دما، جریان برگشتی دود، سیستم مکش دود
  • فریده یزدانی فرد، مهران عامری*، رابرت تیلور صفحه 19

    سیستم فتوولتاییک/حرارتی با ترکیب تکنولوژی های فتوولتاییک و کلکتور حرارتی خورشیدی قادر به تولید هم زمان حرارت و الکتریسیته است. فیلتر های طیفی به منظور استفاده کامل از طیف تابش خورشیدی و جداسازی حرارتی سلول های فتوولتاییک و سیال انتقال حرارت در سیستم فتوولتاییک/حرارتی به کار گرفته می شوند. هدف از این مقاله بررسی فیلتر طیفی ترکیبی جدیدی متشکل از ماده تغییر فاز دهنده و نانوسیال به منظور دستیابی به فیلتری نزدیک به فیلتر طیفی ایده آل است. در این راستا، سیستم فتوولتاییک/حرارتی دارای فیلتر طیفی ترکیبی نانوسیال-ماده تغییر فاز دهنده با استفاده از معادلات موازنه انرژی در نرم افزار متلب شبیه سازی شد و عملکرد آن از دیدگاه انرژی و اگزرژی با دو سیستم فتوولتاییک/حرارتی معمولی و سیستم فتوولتاییک/حرارتی دارای فیلتر طیفی نانوسیالی مقایسه گردید. همچنین، خواص نوری نانوسیالات و ماده تغییر فاز دهنده مدل سازی شدند و مدل های ارایه شده با داده های تجربی موجود در پژوهش های گذشته اعتبار سنجی شدند. نتایج حاصل از این بررسی نشان داد که با استفاده از فیلتر طیفی ترکیبی می توان دمای فتوولتاییک را تا 50% کاهش داد و دمای سیال خروجی را تا بیش از دو برابر افزایش داد. بازده اگزرژی سیستم دارای فیلتر طیفی ترکیبی در نسبت تمرکز 30 به ترتیب 14 و 22 درصد بیشتر و اگزرژی تلف شده آن به ترتیب به میزان 5 و 7 درصد کمتر از سیستم فتوولتاییک/حرارتی معمولی و سیستم دارای فیلتر طیفی نانوسیالی بدست آمد.

    کلیدواژگان: ماده تغییر فاز دهنده، نانوسیال، سیستم فتوولتاییک، حرارتی، انرژی، اگزرژی
  • عباس رحمتی، سید مجتبی واردی کولایی*، حبیب احمدی، محمدحسین احمدی صفحه 20

    موتور استرلینگ به دلیل برخی مزایا از جمله سروصدای کم، احتراق خارجی بودن و توانایی استفاده از انرژی خورشیدی و دیگر انرژی های نوین، توجه پژوهشگران را در سال های اخیر به خود جلب نموده است. همچنین این موتورها در کاربردهایی با اختلاف دمای کم و یا زیاد قابل استفاده هستند. بدیهی است نوع سیلندرهای مورد استفاده، نحوه چیدمان آن ها و مکانیزم منتقل کننده حرکت می تواند بر روی عملکرد این موتور تاثیرگذار باشد. از سویی مهندسان و طراحان همواره به دنبال افزایش راندمان و کارایی در سیستم های مکانیکی هستند که در موتورها می تواند منجر به افزایش کار و یا توان خروجی موتور شود. در این مطالعه، در ابتدا به تحلیل ابعادی انواع مختلف موتور استرلینگ پرداخته می شود. سپس با تعریف پارامترهای هندسی موتور به عنوان متغیرهای طراحی، کار خروجی موتور با استفاده از روش های بهینه سازی بیشینه خواهد شد. همچنین، برای جلوگیری از افزایش ابعاد موتور و فضای اشغالی آن، از روابط قیدی در مساله استفاده خواهد شد. بهینه سازی سینماتیکی بر روی چهار نوع مختلف از موتور استرلینگ اعمال می شود. برای حل مساله از سه روش بهینه سازی الگوریتم ژنتیک، الگوریتم ازدحام ذرات و الگوریتم رقابت استعماری استفاده شده است. نتایج بهینه سازی سینماتیکی نشان می دهد کار خروجی موتور با ابعاد بهینه، حدودا 45/1 تا 59/4 برابر شده است.

    کلیدواژگان: موتور استرلینگ، سینماتیک، ترمودینامیک، روش های بهینه سازی، کار خروجی
|
  • Mohsen Kazemi, Amirhossein Fardi, MohammadJavad Maghrebi * Page 1

    With the advent of morphing airfoils, the aerodynamics of wind turbines and wings underwent many changes. In this study, the aerodynamic coefficients of morphing airfoil based on NACA 0015 are optimized in the range of Reynolds number 105 to 106 and the angle of attack 0 to 12 degrees using Artificial Neural Network (ANN) and Genetic Algorithm(GA). First, the airfoils were created in MATLAB software by random control points and mesh generated in Gambit software, then in two-dimensional Ansys software were simulated. The simulation results, including lift and drag coefficients, separation point and pressure center, with control points were used to train the Artificial Neural Network (ANN). The trained function is given as an input function to the Genetic Algorithm(GA) to optimize the desired coefficients.Lift coefficient, the center of pressure, separation point and lift to drag ratio were optimized as a single objective, In single-objective optimization, the lift coefficient was increased by 18% using the morphing airfoil. Also, the lift coefficient and the center of pressure, the lift coefficient and the drag coefficient were optimized as the dual-objectives optimization. In the optimization of the dual objectives, lift and drag coefficients were controlled by 0.8 and 0.03, respectively, by the morphing airfoils.

    Keywords: Morphing airfoil, Computational fluid dynamic, Artifical Neural Networks, Genetic Algorithm
  • Zahra Mehrdoost * Page 2

    In this paper for flow simulation in fractured porous media, a multiscale finite volume method on unstructured grids is developed. To this end, algorithms for generating coarse scale unstructured grids for the matrix and fracture networks are presented independently. The presented algorithms for generating coarse scale unstructured grids are adaptable based on local changes in permeability field. Unstructured grid adaption based on permeability field has significant effect on improving the multiscale solution results in highly heterogeneous permeability fields. For the first time in this research, applying adaptive unstructured grids in fractured porous media is done. Coarse scale grid cells are generated such that strong variation of permeability along their boundaries and also the placement of coarse scale vertices in low permeability region are prevented. To reduce the computational cost, fracture-matrix coupling is considered only for the calculation of basis functions in the matrix domain. In order to evaluate the proposed algorithms, various 2D test cases are designed and solved. Finally, it is shown that the multiscale finite volume method with the proposed algorithms is an efficient numerical method for flow simulation in heterogeneous fractured porous media.

    Keywords: Multiscale finite volume method, fractured porous media, unstructured grids, discrete fracture model
  • Ali Asadi, Seyyed Majid Malek Jafarian *, AliReza Teymourtash Page 3

    When an axially symmetrical fluid jet impacts on a horizontal target plate vertically, a hydraulic jump is formed. Flow rate, fluid jet diameter, nozzle opening distance to the target plate, surface tension of the fluid, etc. are different parameters important for investigating this phenomenon. The impact of the important and key parameter of fluid jet swirl on hydraulic jumps is not investigated. The main purpose of this study is to investigate the impact of fluid jet swirl on circular hydraulic jump. The results of this study, achieved by using experimental method, show that the higher the angular velocity, the higher the increase in the radius of circular jump. The increase in jump radius with angular velocity of nozzles 132.8, 266.4 and 400.8 rpm compared to nozzle without swirl is 3.29, 5.89 and 8.34 percent, respectively. Drawing the diagram of the dimensionless radius of jump based on the dimensionless number of swirl shows two categories of lines. The first category is the fixed angular velocity lines with a negative slope and the second category is the fixed flow rate lines with a positive slope. Experiments also show that the hydraulic jumps created by a swirling jet follow the trend results of modified Watson's theory with a non-significant difference.

    Keywords: Circular Hydraulic Jump, Swirl Jet, Angular Velocity of Nozzle, Modified Watson’s Theory
  • Rafat Mohammadi *, Mohammad Aghaei Page 4

    In this paper, the water hammer resulting from the fast closure of the valve in a pipeline is simulated using numerical solution of continuity and Navier-Stokes equations. Simulation has been performed for a high-viscosity oil and for water. The initial flow regime for water is turbulent and for the oil is laminar. The obtained results are compared with the experimental results and for both fluids, a good agreement between the simulation and experimental results at different times is obtained. Velocity contours at different times show two regions with different behavior in transient flow. The wall region and the pipe core region. In the wall region, the effects of fluid viscosity are dominant, the velocity gradients are sharper, and flow changes more rapidly. While the pipe core region is affected by fluid inertial forces. As the fluid viscosity decreases and the Reynolds number increases, the core region becomes larger. In addition, a parametric study has been conducted and the effect of different parameters on water hammer has been studied. The results show that by reducing the thickness or length of the pipe, reducing the mass flow rate, or using a pipe with a lower elastic modulus, the water hammer effects can be significantly reduced. For example, by reducing the length of the pipe from 60 meters to 18 meters, the maximum pressure decreases by 11%.

    Keywords: water hammer, Transient Flow, compressible flow, numerical simulation, Pressure Waves
  • Hosein Khaleghi *, Martin Heinrich, MohammadJavad Shahriyari Page 5

    This paper reports on a numerical simulation of circumferential groove casing treatment in a high-speed axial fan. Four circumferential grooves of the same geometry are located over the tip of a NASA Rotor-67 and unsteady calculations are performed from choke to near-stall. Results show that circumferential grooves reduce the incidence angle near the pressure surface at the blade leading-edge. Furthermore, the passage shock and the leakage flow are pushed rearward in the passage. It is also found that circumferential grooves have two simultaneous important effects on the endwall flow field. First is adding momentum in the streamwise direction (fluid is absorbed by the grooves from their downstream part and is injected from their upstream section). The other effect is providing a flow path between the suction and pressure surface, leading to a reduction in the pressure difference between them (fluid is absorbed by the grooves mostly near the pressure surface and is injected into the passage near the suction surface). At the near-stall point the flow field near the grooves was found to be highly unsteady. Maximum unsteadiness was observed in the first upstream groove: the circulated mass flow rate changed as high as roughly 30 percent of its time-averaged value.

    Keywords: Circumferential Grooves, Range Extension, Casing Treatment, Transonic Compressor
  • Reza Javannezhad, Mahmoud Safar, Sarmad Ghader * Page 6

    Clear air turbulence (CAT) forecasting got its start in the World War II era, when scientists and individuals in the field of aviation first began attempting to correlate observed clear air turbulence events with large scale synoptic features. Although there is a large spectrum of eddy sizes in the atmosphere, from macro scale to micro scale, aircraft bumpiness is felt mainly for a range of eddy sizes between about 100 m and 1 km; larger eddies cause only slow variations in the flight path while the effect of very small eddies is integrated over the surface of the aircraft.This study is two case study and comparison of the report of CAT of center, east and south east crossings (Sector 4, 5 and 6) of the results of the IRIAF IT, Communication and Electronic Administration. Regional weather predictions are carried out using an ensemble forecasting system development for the WRF model. Perturbed initial conditions and different choices of physical parameterizations are used to generate ensemble members. In addition, the initial and lateral boundary conditions are taken from the global forecast system (GFS). For each member of the ensemble system, two computational domains of the nesting area are used with spatial resolutions of 27,000 meters, 9,000 meters. Case study of the predicted clear air turbulence indicates the proper performance of the predicted meteorological parameters.

    Keywords: Clear Air Turbulence, Turbulence Index, Flight Levels, WRF Model, Ensemble Forecast
  • Shokoufeh Malek Mohamadi, Pooyan Hashemi Tari * Page 7

    To date, due to growing investment in renewable energies, researchers are interested in wind power feasibility studies for mountainous terrains. Numerical Weather Prediction (NWP) methods has proved to be a strong tool to simulate wind flow field in real time. In present study, using NWP method and in particular WRF (weather research and forecasting model) software, the wind flow, over Martigny mountainous area located in Switzerland, has been simulated and studied. Due to high resolution of the simulation, Large Eddy Simulation (LES) has been employed to perform turbulence modelling. The objective of this study is to assess the credibility of WRF in wind simulation and to examine the effect of horizontal and vertical resolutions as well as two different sub-grid scale turbulence models. The results reveal that WRF is able to generate the wind flow in comparison with those data obtained from wind measurement stations and it can properly produce diurnal wind patterns. The results also show a promising simulation for the region, located within a wide and flat valley. However, the discrepancies between the results and those obtained from the wind station, are bold for regions located at high mountainous locations and at the peaks. Smagorinsky 3d SGS turbulence model show a better performance at mountain peaks in comparison with TKE1.5 model. In addition, increasing vertical resolution reduces the discrepancy and improves WRF performance.

    Keywords: Wind Simulation, Numerical Weather Prediction method, WRF software, Large Eddy Simulation, Wind Power Feasibility Study
  • MohammadKazem Moayyedi *, Farshad Sabaghzadeghan Page 8

    Numerical modeling and simulation is a useful tool for analyzing the dynamic behavior of engineering systems. Using these methods, especially for unsteady problems, usually requires a lot of time. For this reason, the development of fast speed algorithms and increased computational efficiency has always been an important issue for researchers. In this method, by decreasing the constraints of the system, the computational speed will dramatically increase without changing the dominant features of the problems. In this research, using the basic concepts of dynamical systems, two problems such as diffusion and convection-diffusion of equations are investigated independently and by using the proper orthogonal decomposition method, the reduced-order model for these equations have been created. Finally, for each of the problems, based on the projection of the related governing equations in the vector space of modes and using more energetic modes, a reduced-order model is obtained with respect to the orthogonal basis functions. The model obtained has been used to simulate the time evolutions of each problem. These equations can correctly replace with the primary equation and predict the behavior of the system with very good accuracy. Comparison of the results of the reduced-order model and direct numerical simulation shows high accuracy.

    Keywords: Proper Orthogonal Decomposition, Convection-Diffusion equation, Diffusion Equation, Reduced Order Model
  • Sadegh Rostami Dehjalali, Ehsan Khavasi *, Parsa Nazmi Page 9

    Gravitational currents are important currents in atmospheric and oceanic studies. Gravity current is caused when a fluid with different density moves into another fluid. If the fluid of a given density enters the stratified ambient, such that its density is lower than the underneath layers and higher than the upper layers, the gravity current is of the intrusive type. The Kelvin-Helmholtz and the Holmboe instabilities are seen in the interface. The decisive parameters in the type of instability are the Richardson number local (J) and the ratio of shear layer thickness to the density layer (R). In this study, two-dimensional numerical simulation of the shear instabilities (Holmboe waves) with the Eulerian-Eulerian approach on intrusive gravitational flow is investigated. OpenFOAM code was used to perform this simulation, and due to the turbulence of the flow, the LES method was used to model the turbulence. The obtained results show that with increasing the intrusive current density, the value of Richardson number decreases and the R parameter increases. Also, as the density increases, the frequency of the Holmboe waves first increases, then decreases. An increase in the wavelength of Holmboe waves is observed with increasing the intrusive current density but in the wave number of the waves, the opposite behavior is seen. The phase velocity of Holmboe waves also does not have a specific trend with density changes.

    Keywords: Intrusive gravity current, Richardson number, the ratio of shear layer thickness to density layer thickness, Holmboe instability
  • Sina Mottaghi, Mostafa Nazari *, Mohsen Nazari, Naserodin Sepehry, Amir Mahdavi Page 10

    Droplet generation with controllable precise size is the target of this research. For this purpose, a flow focusing micro-channel is constructed using photolithography. Then, by injecting two incompatible fluids to the channel, micro-droplets are generated. Two syringe pumps are used. The Meros high speed camera is used for recording the image of droplets, and a fast image processing algorithm is used to calculate the size of the droplets. The feedback loop is completed by connecting the camera, microscope, syringe pumps and PC computer. To regulate the size of the droplet, the PID controller is used due to its ease of implementation and robustness. The flow rate of the continuous phase is the control input and the size of the droplets is the output of the closed-loop system. Experimental tests are done by considering three desired droplet diameter, i.e. 100, 140 and 160 μm. In all cases, the controller shows good performance. To show the disturbance rejection characteristic of the designed system, the flow rate of the discrete phase is changed stepwise. Due to this disturbance the transient response of the system changed, but the controller attenuates this disturbance, and regulates the system to the desired size. The experimental tests show that the designed closed-loop microfluidic system is able to generate droplets with desired precise size.

    Keywords: Flow focusing microchannel, active control, PID controller, two-phase flow, Micro-droplet
  • Nadia Pahlevaninejad, Masoume Rahimi *, AliAkbar Ranjbar, Majid Gorzin Page 11

    There are several ways to increase heat transfer in mini-channels, like adding a vortex generator. In this paper, the effect of the presence of the hole on vortex generators on the heat transfer parameters is examined. In this study, a 50 mm long mini channel with eleven rectangular vortex generators, with holes with area of 5 to 60% of the vortex generator area, was analyzed with water-based fluid under constant flux in the range of Reynolds numbers 200-1000. The results showed the presence of holes on the vortex generators reduced the pressure drop resulting from the obstruction against the fluid flow and 34.7% decrease in pressure drop is observed for minimum and maximum area of holes in Reynolds number 1000. The Nusselt number is increased by existence of a hole in the Reynolds numbers range and then is decreased by increasing the size of the hole due to the reduction of the vortex size behind the obstacle, so that in the maximum Reynolds number by increasing hole size, 34.3% decrease is observed. The results also showed that the maximum performance evaluation criterion for the Reynolds number 200 is obtained in the VG-15 model and by increasing Reynolds number in the models with smaller holes, which maximum value of the performance evaluation criterion is occurred in VG-05 model in the Reynolds number 1000.

    Keywords: heat transfer, Minichannel, Vortex generator, Hole, Performance Evaluation Criteria
  • Hesam Moayedi * Page 12

    In this paper, the effect of baffle on the flow field and heat transfer enhancement of forced convection of Cu-water nanofluid flow in the laminar regime over a backward facing step is numerically investigated. In this study, the influence of baffle geometrical parameters as height, width and number of baffles, as well as the Reynolds number and the volume fraction of nanoparticles on the flow filed and heat transfer are evaluated. Also, to evaluate the simultaneous of the heat transfer enhancement and pressure drop, the Performance Evaluation Index (η) is calculated. The results indicated that in presence of baffle, the η is higher than 1 for all cases, and it is clear that the presence of baffle is effective on thermal efficiency. It is obvious that by increasing the Reynolds number and decreasing the volume fraction of nanoparticles, the Performance Evaluation Index is increased. For all cases, the average Nusselt number and the Performance Evaluation Index for wb=2H are higher than other cases about 7.6% and 15% respectively. The results show that using 2 baffles must be more beneficial than other number of baffles. Finally, a correlation for the Num/Num0 as a function of Reynolds number (Re), volume fraction of nanoparticles (φ), number of baffles (N), baffle height (hb) and baffle width (wb) is presented with an average error of 2.88%.

    Keywords: Numerical Analysis, Backward facing step, Nanofluid, baffle, heat transfer
  • Yahya Malmir Chegini, Nima Amani Fard * Page 13

    In this paper, flow characteristics and heat transfer in a smooth horizontal pipe subjected to forced heat convection with constant wall heat flux in the presence of magnetohydrodynamic has been computationally analyzed. The effects of temperature-dependent density, specific heat capacity, thermal conductivity, and viscosity on heat transfer and frictional flow characteristics of transformer oil and local and average heat transfer coefficient have been numerically investigated. Firstly, to validate, the present numerical result has been compared with the analytical and experimental results through a smooth pipe, which shows a good agreement. A significant deviation between constant and variable property has been achieved. Changes in fluid velocity profiles have led to changes in fluid characteristics including coefficient of friction and heat transfer coefficient. By considering the changes in the parameters, it was observed that the viscosity of the base fluid and the nanofluid have the maximum effect with approximately 30 and 25% increase in heat transfer coefficient and apparent friction coefficient relative to the fixed properties, respectively. Despite the dependence of the thermal properties of the nanofluid on temperature-dependent viscosity, the change in thermal conductivity leads to 35% increase in the heat transfer coefficient in the presence of a magnetic field.

    Keywords: Numerical Analysis, Fluid property, magnetic field, Nanofluid, heat transfer
  • Masoud Yarahmadi, MohammadMohsen Shahmardan, Mohsen Nazari *, Alireza Asgharzadeh Page 14

    In the current study, an experimental apparatus was constructed, and subcooled flow boiling in an annulus tube was investigated. The annulus tube is in the vertical direction, and the internal and external diameters are 50.7 and 70.6 mm. The operating pressure was 1 atm, and the working fluid was water. In this investigation, heat flux, mass flow rate and the inlet subcooling effectiveness on heat transfer coefficient are considered. The experiments were performed in the mass flow rate range of 0.012 kg/s to 0.0286 kg/s in which the flow consists of both forced convection and flow boiling. The results show that the heat transfer coefficient is highly dependent on heat flux in a direct relationship. The results revealed that the subcooled heat transfer coefficient increases with decreasing inlet subcooling. Also, the mass flow reduction causes heat transfer coefficient increments to 30% in subcooled boiling regions. The use of porous media also increases the subcooled flow boiling heat transfer coefficient up to 30%. The validation of empirical results has also been done with valid previous reports.

    Keywords: heat transfer, Subcooled Flow boiling, Experimental study, Vertical tube
  • Sepehr Sanaye *, Fateme Mousavi Page 15

    The dynamic variation of surrounding soil temperature in axial (depth) and radial directions of vertical type Ground Source Heat Pump (GSHP) heat exchangers are investigated here. This soil temperature distribution for borehole heat exchangers (BHE) plays an important role in thermal operation, electricity consumption and Coefficient of Performance (COP) of GSHP. Thus the transient 3D numerical modeling of U-tube and coaxial BHEs are investigated to find the temperature distribution around the buried pipes. The simulation is performed using ANSYS FLUENT 16.0 software based on the finite volume method. The effects of various parameters are studied and modeling results for the cooling application of heat pump are obtained for different mass flow rates of condenser cooling water. Results show that the injection heat transfer rate to the ground in summer, in the coaxial BHE with fluid injection direction to inner pipe at mass flow rates of 0.8, 1, 1.2 kg/s are 5.34%, 11.9%, 16.5% higher than U-tube BHE respectively. Moreover, after 93 days, the vertical temperature distribution of the soil for U-tube BHE shows a significant variation mainly at depths less than 36.6 meters while the vertical temperature variation with coaxial BHE is significant even in higher depths.

    Keywords: U-tube borehole heat exchanger, Coaxial borehole heat exchanger, Ground source heat pump, Soil temperature distribution
  • Mohsen Malekipour, Majid Sabzpooshani *, Ehsan Houshfar Page 16

    With the promoting use of lithium-ion batteries in industries, increasing their temperature is known as a challenge. In this research, by completing a hybrid heat management system, the effect of adding Nano-titanium oxide particles to paraffin PCM investigated experimentally on the cooling performance of battery in two constant heat flux, 4.5 and 14 watts. The hybrid system consists of nano-paraffin and copper metal foam, which has been used with two working fluids as air and pure water. Nanoparticles are added with pure paraffin in four volume percentages 1, 2, 3 and 4. In case of air working fluid, battery temperature in pure paraffin and nano-paraffins 1 to 4% became 56.2 °C, 51.8 °C, 50.7 °C, 49.3 °C and 48 °C, respectively. Thus. in case of nano-paraffin 4% comparing to the pure paraffin, temperature decreasing was about 17%. Hybrid system with pure water as a working fluid and using copper foam and nano-paraffin tested in Reynolds numbers 420, 600 and 720, and it is shown that the battery temperature reached to a stable temperatures of 48°C, 46°C and 44°C respectively, which comparing to the pure paraffin case, temperatures reduced by 11%, 12% and 12.5% respectively. Therefore, due to the low thermal conductivity of paraffin, the addition of nanoparticles in both working fluid cases of pure water and air is beneficial.

    Keywords: heat transfer, Nanoparaffin, Lithium-ion batteries, Experimental Method
  • Alireza Zolfaghari *, Peyman Ebrahimi Naghani, Mehdi Maerefat Page 17

    In this research, it has been tried to experimentally investigate the the effect of personalized ventilation system on air flow and temperature distribution in a room for two inlet air temperatures (24 and 32°C) and two different arrangements of the inlet diffusers (desk-mounted and under-desk air terminals). The results showed that the penetration depth of heat and momentum due to the inlet diffuseres were not the same; So that the effect of inlet diffusers’ temperature on the room temperature distribution is significant up to a distance of about 60 cm. However, the effect of inlet velocity is noticeable up to a distance of about 110 cm. As a result, the occupants’ thermal sensations up to about one meter from the inlet diffusers will be affected by the inlet conditions. Also, the results indicated that the draught dissatisfaction along with the diffusers’ centerline is significant to a distance of about 180 cm. Also, based on the results, the air velocity and turbulence intensity are the two main factors in determining the draught dissatisfaction in the personalized ventilation system and due to the rapid thermal mixing of inlet air with the room air, the effect of inlet temperature on the draught dissatisfaction is not significant.

    Keywords: Personalized ventilation system, Experimentul study, Flow pattern, Draught dissatisfaction
  • Seyyed Omid Haghani, Ebrahim Barati * Page 18

    Ventilation is essential to provide a smoke-free path for safe passenger evacuation and effective rescue services in case of a tunnel fire, because the closure tunnels increase consequences of accidents significantly. In the present study, the simultaneous use of longitudinal ventilation and smoke extraction from the ceiling in fires inside tunnels and physical phenomena has been investigated. Fire dynamics simulator will be used as a CFD tool. This simulation was performed to investigate the effect of the longitudinal distance of the smoke extraction system from the fire source on the smoke back-layering length and the maximum temperature in the two operating conditions used by this system downstream and upstream the fire source. In the present work, the smoke extraction system is located on the ceiling of the tunnel. The results show that using a smoke extraction system upstream the fire source will increase the maximum temperature, but using the same system downstream will reduce the temperature throughout the tunnel and prevent smoke back-layering. However, attention to the smoke extraction velocity for prevent the plug-holding phenomenon. The results also show that the simultaneous use of two smoke extraction systems at the upstream or downstream of the fire source will have a better result and The maximum temperature is reduced by 10%.

    Keywords: Tunnel, Fire, maximum temperature, smoke back-layering, Smoke extraction system
  • Farideh Yazdanifard, Mehran Ameri *, Robert Taylor Page 19

    The photovoltaic/thermal system is capable of generating both heat and electricity simultaneously. The purpose of using spectral filters is to make full use of the solar radiation spectrum and thermal separation of photovoltaic and thermal units. The purpose of this paper was to investigate a new hybrid spectral filter consisting of phase change material and nanofluid in order to achieve a filter close to the ideal spectral filter. In this regard, the photovoltaic/thermal system with a combined nanofluid-phase change material spectral filter was simulated using energy balance equations in MATLAB software and its performance was compared with two conventional and nanofluid-based spectral splitting photovoltaic/thermal systems from energy and exergy viewpoints. Also, the optical properties of nanofluid and phase change material were simulated and the models were validated with the experimental data available in the literature. The results showed that by using a combined filter the photovoltaic temperature can be reduced by up to 50% and the output fluid temperature can be increased by twice. The exergy efficiency of the system with the combined filter was about 14% and 22% higher and its exergy destruction was about 5% and 7% lower than conventional and nanofluid-based spectral splitting photovoltaic/thermal systems, respectively. The system also achieved the highest exergy efficiency at concentration ratios greater than 15.

    Keywords: Phase change material, Nanofluid, Photovoltaic, Thermal System, Energy, Exergy
  • Abbas Rahmati, Seyed Mojtaba Varedi Kulaee *, Habib Ahmadi, MohmmadHossein Ahmadi Page 20

    The Stirling engine has attracted researchers' attention in recent years due to some advantages such as low noise, external combustion, and the ability to use solar and other new energy sources. Moreover, these engines can also be used in applications with a low or high-temperature difference. The type of cylinders, their arrangement, and the transmission mechanism can affect this engine's performance. On the other hand, engineers and designers are always looking to increase the efficiency and effectiveness of mechanical systems, which in engines can lead to increasing the engine's work or power. In the current study, firstly, the dimensional analysis of different types of Stirling engines is done. Then, by defining the engine's geometric parameters as the design variables, the engine's output work will be maximized using optimization algorithms. Also, in order to prevent the increase of the dimensions of the engine and its occupied space, a new constraint in the problem will be used. Kinematic optimization is applied to four different types of Stirling engines. Three algorithms, namely GA, PSO, and ICA, have been used to solve the optimization problem. The results of kinematic optimization show that the output work of the engine with optimal dimensions has increased approximately 1.45 to 4.59 times.

    Keywords: Stirling Engine, Kinematic, Thermodynamic, Optimization algorithms, Output work