فهرست مطالب

روش های عددی در مهندسی - سال چهلم شماره 2 (زمستان 1400)

نشریه روش های عددی در مهندسی
سال چهلم شماره 2 (زمستان 1400)

  • تاریخ انتشار: 1400/10/11
  • تعداد عناوین: 7
|
  • احمدرضا رحمتی*، احسان کاشی صفحات 1-18

    در مقاله حاضر، یک مدل شبکه بولتزمن دوفازی با درنظر گرفتن نیروهای بین ذرات نانوسیال درنظر گرفته شده است. با درنظر گرفتن نانوسیال آب-اکسید آلومینیوم در یک محفظه به همراه تولید حرارت داخلی، انتقال حرارت جابه جایی آزاد مورد بررسی قرار گرفته است. برای فهمیدن مکانیزم بهبود انتقال حرارت در نانوسیالات در مقیاس ذرات، از روش شبکه بولتزمن به دلیل مزیت های منحصر به فردی که این روش دارد، استفاده شده است. با درنظر گرفتن یک مدل دوجزیی شبکه بولتزمن، بهبود انتقال حرارت نانوسیالات با درنظر گرفتن نیروهای موجود بین ذرات نانو و سیال پایه، بررسی شده است. تاثیر نیروهای بین ذرات، درصد حجمی نانوذرات (0-0/05)  و عدد رایلی داخلی و خارجی (106-103) در انتقال حرارت نانوسیال و پخش ذرات درون هندسه مورد نظر، بررسی شده است. نتایج نشان می دهد که عدد ناسلت متوسط با افزایش درصد حجمی نانوذرات و عدد رایلی افزایش پیدا می کند. اضافه شدن تولید حرارت داخلی به سیال پایه یا نانوذرات به صورت جدا بررسی و مقایسه شده اند.  مشخص شد که درنظر گرفتن تولید حرارت داخلی در سیال پایه باعث تغییر بیشتری در میدان دما و درنظر گرفتن آن در نانوذرات باعث تغییر بیشتر در میدان جریان می شود.

    کلیدواژگان: نانوسیال آب-اکسیدآلومینیوم، بهبود انتقال حرارت جابه جایی آزاد، تولید حرارت داخلی، شبیه سازی دو بعدی شبکه بولتزمن دوفازی
  • فرهاد حسینلو* صفحات 19-37

    امروزه بسیاری از مدل های پیچیده، به طور معمول مدل های اجزای محدود ، در تحلیل سازه سکوهای جکتی استفاده شده اند. با این حال، این مدل های فراگیر و جامع به راحتی در عرف مهندسی (یعنی در عمل) به خصوص در مرحله طراحی اولیه به راحتی مورد قبول واقع نمی شوند. از آنجا که تحلیل دینامیکی سکوهای جکتی بسیار پیچیده است، ایجاد یک روش محاسباتی ساده برای ارزیابی عملکرد دینامیکی چنین سازه هایی بسیار سودمند خواهد بود. در این کار از یک مدل ساده اصلاح شده برای محاسبه پاسخ های دینامیکی سکوهای جکتی استفاده شده است. در این راستا، برای غلبه بر مشکل عدم اطمینان در مدل سازی، از ساده سازی مدل مبتنی بر داده های مودال ارتعاشی و معادله تیر تیموشنکو استفاده شده است. با توجه به روش برازش منحنی روی مجموعه توابع پاسخ فرکانسی برای استخراج پارامترهای مودال، از مفهوم چگالی طیف توان نیز برای تایید مدل محاسباتی پیشنهادی استفاده شده است. در این راستا، ابتدا رفتار مدل فیزیکی در حوزه فرکانس ارایه و سپس با نتایج طیفی اخذ شده از مدل ساده شده براساس تیر تیموشنکو مقایسه شده است. چون تست مودال مدل فیزیکی تحت نیروی نویز سفید انجام گرفته است، لذا پاسخ های دینامیکی مدل ساده شده نیز تحت نیروی نویز سفید با نرم افزار متلب استخراج شده است. در این مقاله، یک مدل ریاضی کاربردی تولید شده است، و نشان داده شده است که مدل ساده اصلاح شده می تواند ویژگی های واقعی سازه ای را منعکس کند.

    کلیدواژگان: سکوی جکتی فراساحلی، مدل محاسباتی ساده، رفتار دینامیکی، داده های مودال ارتعاشی
  • فاطمه حیدر قیطاقی، محمدحسین قدیری راد، مجید کاظمی* صفحات 39-56

    استفاده از اعضای سازه ای نامنشوری برای بهینه سازی هزینه و مقاومت در حال افزایش است. در شرایط یکسان، مقاطع اعضا در سازه های فولادی نازک تر از سازه های بتنی است، بنابراین تحلیل کمانشی در سازه های فولادی از اهمیت بیشتری برخوردار است. تعیین بار بحرانی ستون هایی که ممان اینرسی در طول آنها متغیر است با استفاده از روش تحلیلی، زمان زیادی از کاربر می گیرد. در این مقاله تحلیل کمانشی ستون های نا منشوری فولادی با ممان اینرسی متغیر در طول ستون با بهره جویی از روش بدون شبکه پتروف-گالرکین انجام شده است. در این روش نیازی به شبکه بندی مسئله نیست و با توزیع تعدادی گره به صورت منظم یا نامنظم، دامنه و مرزهای مسئله مشخص می شود. تغییرات ممان اینرسی در طول ستون با استفاده از یک تابع توانی با ضریب نامنشوری و توان متغیر مدل سازی شده است. برای گسسته سازی معادلات دیفرانسیل حاکم بر رفتار کمانشی ستون ها، از تابع درون یاب شعاعی و برای برقراری شرایط مرزی ستون از روش جریمه (پنالتی) استفاده شده است. مقایسه نتایج عددی روش پیشنهادی با نتایج روش های تحلیلی نشان می دهد که روش بدون شبکه در محاسبه بار کمانشی ستون های نا منشوری، از دقت بسیار بالایی برخوردار است. در ادامه، به کمانش ستون های ماهیچه ای با بار محوری متغیر در طول ستون به عنوان یک نمونه ستون پر کاربرد در مهندسی عمران برای نشان دادن کارایی روش پیشنهادی پرداخته شده است. در پایان، اثر پارامتر های مختلف از جمله غیریکنواخت بودن بار و نحوه تغییرات تدریجی ممان اینرسی در طول ستون، روی بار کمانشی ستون بررسی شده است.

    کلیدواژگان: ستون های نامنشوری، روش بدون شبکه پتروف-گلرکین، کمانش ستون، تابع پایه شعاعی، مقدار ویژه
  • رامین سلامت ممکانی، امین ازهری* صفحات 57-79

    پایداری دینامیکی و روانگرایی سدهای باطله یکی از معضلات ژیوتکنیکی است که از دیرباز محققان این حوزه را به چالش کشیده است. در این مطالعه پاسخ لرزه ای سد باطله معدن فسفات اسفوردی واقع در منطقه لرزه خیز بافق استان یزد مورد بررسی قرارگرفته است. به این منظور از کد تفاضل محدود فلک (Flac2D) و به کارگیری دو مدل رفتاری موهر- کلمب و فین- بایرن برای مدل سازی بهره گرفته شده است. به منظور محاسبه و تعیین مناطق مستعد روانگرایی و یا روانگرا شده کدنویسی به صورت تابع فیش در نرم افزار انجام می شود. جابه جایی های افقی و قایم (نشست) در بدنه سد، فشار منفذی اضافی، نواحی شکست و روانگرایی ناشی از بار لرزه ای با استفاده از دو مدل رفتاری انتخاب شده، تحت زلزله 6/4 ریشتری که در سال 1383 در یزد اتفاق افتاد، تعیین شده اند. بیشینه جابه جایی افقی در پایین دست بدنه سد با توجه به مدل رفتاری موهر- کلمب و فین- بایرن به ترتیب 5 و 35 سانتی متر مشاهده شده است. همچنین نشست حاصل از این بار لرزه ای در بالادست تاج سد، با استفاده از دو مدل رفتاری تعیین شده، به ترتیب 4 و 23 سانتی متر مشاهده شده است. نسبت فشار آب منفذی اضافی (ru)، در دو مدل رفتاری استفاده شده، کمتر از حد روانگرایی (0/8) به دست آمده که حداکثر مقدار آن 0/7 برای مدل رفتاری فین- بایرن و 0/2 برای مدل رفتاری موهر- کلمب به دست آمده است. به طور کلی نتایج نشان می دهند که با توجه به در نظر گرفتن تاثیر تجمعی توالی بار لرزه ای در مدل رفتاری فین- بایرن، این مدل رفتاری درک بهتری از پدیده روانگرایی را ارایه می دهد.

    کلیدواژگان: سدهای باطله معدنی، روانگرایی، موهر- کلمب، فین- بایرن، روش عددی تفاضل محدود، تحلیل دینامیکی
  • پرویز گیلاوند، حمیدرضا حیدری* صفحات 81-94

    در این مقاله، تاثیر نانوسیال آب-اکسید آهن (Fe3O4) بر انتقال حرارت یک کانال در حضور میدان مغناطیسی متغیر عمود بر جریان، با ایجاد موانع به صورت محوری با استفاده از مدل تک فازی مخلوط مطالعه می شود. اثرات میدان مغناطیسی با نوشتن کدهایی به معادلات حاکم بر فروسیال اضافه شده و هندسه مسئله در نرم افزار Gambit 2.4 تولید و شبکه بندی می شود. شبکه حاصل به صورت سه بعدی تشکیل شده و معادلات دیفرانسیل غیر خطی حاکم بر مسئله نیز بر اساس روش حجم محدود با کمک نرم افزار فلوینت تحلیل می شود. همچنین اثر پارامترهایی نظیر اثر موانع در مسیر جریان، عدد بی بعد شدت میدان مغناطیسی و عدد بی بعد رینولدز بر انتقال حرارت مطالعه شده است. نتایج نشان می دهد، ایجاد موانع در مسیر جریان باعث اغتشاش در جریان سیال شده، که این اغتشاش باعث افزایش انتقال حرارت کلی می شود. همچنین اعمال میدان مغناطیسی بر نانوسیال مغناطیسی سبب نفوذ لایه مرزی خنک در قسمت های مرکزی کانال شده و با افزایش شدت میدان مغناطیسی نفوذ این لایه نیز افزایش می یابد. در نتیجه مقدار عدد ناسلت و انتقال حرارت افزایش یافته که این بهبود انتقال حرارت و عدد ناسلت با افزایش عدد رینولدز بیشتر می شود.

    کلیدواژگان: نانوسیال، کانال، عدد ناسلت، موانع، میدان مغناطیسی
  • امین پنجه باشی نقش، کاوه اسماعیلی ترکانپوری* صفحات 95-108
    یکی از روش های جدید برای تامین انرژی سیستم های الکتریکی کم مصرف، استفاده از انرژی مکانیکی ارتعاشات سازه ها است. در این روش با استفاده از مبدل پیزوالکتریک، انرژی ناشی از ارتعاشات به الکتریسته تبدیل می شود. مزیت این روش عدم نیاز به تعویض یا شارژ باتری وسیله الکتریکی است. در این مقاله به بررسی برداشت انرژی توسط یک تیر یکسر گیردار ساخته شده از جنس مواد هدفمند با لایه پیزوالکتریک پرداخته شده است. مدل سازی ریاضی سیستم ارایه شده و معادلات کوپل دینامیکی ارتعاش سیستم و ولتاژ تولید شده توسط پیزو الکتریک ها استخراج می شود و سپس تاثیر پارامترهای برادشت کننده روی توان تولیدی مطالعه می شود. با توجه به وجود نامعینی در پارامترهای سیستم برداشت کننده انرژی، برای اولین بار تاثیر نامعینی ها روی مقدار انرژی تولیدشده به صورت آماری با استفاده از روش مونت- کارلو بررسی می شوند. نتایج حاکی از این است هرچند میزان توان قابل استحصال در فرکانس طبیعی اول به مراتب بیشتر از سایر فرکانس ها است ولی در حوالی فرکانس طبیعی اول تاثیر نامعینی در سیستم افزایش پیدا کرده و قابلیت اطمینان برداشت کننده کاهش پیدا می کند.
    کلیدواژگان: برداشت کننده انرژی، مواد هدفمند، آنالیز نامعینی، روش مونت کارلو
  • محمد نعمتی، محمد سفید*، محمدصالح برقی جهرمی، رامین جهانگیری صفحات 109-126

    در کار حاضر اثر میدان مغناطیسی، تغییرات زاویه تمایل محفظه و شکل نانوذره بر میدان جریان و انتقال حرارت جابه جایی طبیعی نانوسیال آب- آلومینا با وجود تولید/ جذب حرارت یکنواخت درون محفظه ربع دایره ای شکل به روش شبکه بولتزمن بررسی شده است. دیواره منحنی و دیواره های مورب محفظه به ترتیب در دمای ثابت سرد و گرم قرار دارند. کسر حجمی نانوذره، صفر، 0/02 و 0/04، عدد هارتمن صفر، 15، 30، 45 و 60، ضریب تولید/ جذب حرارت 5-، صفر و 5+ و زاویه تمایل 45، 135 و 225 درجه، در نظر گرفته شده اند. دقت بالای نتایج حاصل شده در مقایسه با مطالعات قبلی، درستی برنامه نوشته شده به زبان فرترن را تایید کرد. نتایج نشان می دهد در تمامی حالات، افزایش عدد هارتمن منجر به کاهش سرعت و قدرت جریان سیال درون محفظه می شود که این تاثیر برای در زاویه 225 درجه، کمترین است. همچنین افزایش قدرت میدان مغناطیسی به طور میانگین منجر به کاهش 28 ، 23 و 7 درصدی عدد ناسلت متوسط به ترتیب برای زوایای 45، 135 و 225 درجه می شود. ضریب تولید/ جذب حرارت پارامتر تعیین کننده ای بر میزان اثربخشی میدان مغناطیسی و افزودن نانوذرات است. به طور میانگین، تولید حرارت منجر به کاهش 71، 98 و 145 درصدی عدد ناسلت متوسط به ترتیب برای زوایای 45، 135 و 225 درجه می شود. در حالت کلی کمترین مقدار عدد ناسلت متوسط مربوط به زاویه 225 درجه است ولی تاثیر افزودن نانوذرات در افزایش عدد ناسلت متوسط در این زاویه، بیشترین است. عموما افزایش درصد نانوذره، به طور میانگین منجر به افزایش 12 درصدی عدد ناسلت متوسط  می شود. تاثیر شکل نانوذرات با افزایش کسر حجمی مشهودتر است. بیشترین مقدار انتقال حرارت مربوط به نانوذره استوانه ای شکل بوده که در این حالت عدد ناسلت متوسط به طور میانگین در حدود 6 درصد بیشتر از حالت کروی است.

    کلیدواژگان: جابه جایی طبیعی، شکل نانوذره، میدان مغناطیسی، ضریب تولید، جذب حرارت، محفظه متمایل
|
  • A. R. Rahmati*, E. Kashai Pages 1-18

    A two-phase lattice Boltzmann model considering the interaction forces of nanofluid has been developed in this paper. It is applied to investigate the flow and natural convection heat transfer of Al2O3–H2O nanofluid in an enclosure containing internal heat generation. To understand the heat transfer enhancement mechanism of the nanofluid flow from the particle level, the lattice Boltzmann method is used because of its mesoscopic feature and numerical advantages. By using a two-component lattice Boltzmann model, the heat transfer enhancement of the nanofluid is analyzed through incorporating the different forces acting on the nanoparticles and the base fluid . The effects of interaction forces, nanoparticle volume fractions (0.0-0.05), and internal and external Rayleigh numbers (103-106) on the nanoparticle distributions and heat transfer characteristics are investigated. The average Nusselt number increases with the increase of nanoparticle volume fraction and Rayleigh number. We also compared and analyzed adding internal heat generation on the nanoparticles and the base fluid separately, and it was found that by considering heat generation on the base fluid, it mostly affects the temperature field, and by considering that on nanoparticles, it mostly affects the stream field.

    Keywords: Al2O3–H2O Nanofluid, Free Convection Heat Transfer Enhancement, Internal Heat Generation, Two-Phase Two Dimensional Simulation of Lattice Boltzmann Method
  • F. Hosseinlou* Pages 19-37

    Today many complex models, typically finite element models, have been employed in the analysis of jacket offshore structures. However, these comprehensive models are not readily adopted in engineering practice, especially during the preliminary design stage. As the dynamic analysis of jacket platforms is very complicated, it will be very advantageous to make a simplified computational method to assess dynamic performance of such structures. In this work a refined simplified model has been utilized to calculate dynamic responses of jacket platforms. In this regard, the model simplification based on the vibration modal data and Timoshenko’s beam equation has been employed to overcome the uncertainty problem in modeling. According to the curve fitting method on the set of frequency response functions to derive modal parameters, the concept of power spectrum density has been also used to confirm the proposed computational model.In this regard, first the behavior of the physical model in the frequency domainhas been presented and compared with the spectral results obtained from the simplified model based on Timoshenko beam. Because the modal test of the physical model was performed under the force of white noise, the dynamic responses of the simplified model were also extracted under the force of white noise using MATLAB software. In this paper, an applied mathematical model has been produced, and it has been demonstrated that the refined simplified model can reflect the real structural features.

    Keywords: Offshore jacket platform, Simplified computational model, Dynamic behavior, Vibration modal data
  • F. F. Heidargheitaghi, M. H. M. H. Ghadiri Rad, M. Kazemi* Pages 39-56

    Continuously varying cross-section members have found wide applications in engineering for cost and resistance optimization. Since steel structures generally have more slender members compared to concrete structures, buckling analysis of steel members is of more importance. Determining the critical load of functionally varying cross-section columns using the analytical solution is a time-consuming process. In this paper, buckling analysis of non-prismatic steel columns is conducted using the meshless local Petrov-Galerkin (MLPG) method. In meshless methods, the scattered nodes are used rather than the elements to model the problem domain and its boundaries. The change of the inertia moment within the length of a column is characterized by introducing a power function with variable taper ratio and exponent. The radial basis function is used to discretize the differential equation governing the buckling. The penalty method is used for the imposition of the boundary conditions. Numerical examples of the critical buckling load for prismatic and non-prismatic columns using the proposed method are compared with the analytical solution, and the effectiveness of the MLPG method for buckling analysis of non-prismatic columns is validated. Also, buckling analysis of muscle column members subjected to non-uniform axial load is carried out to show the efficiency of the proposed method. The effect of several parameters such as non-uniformity of the load and variation of the cross-section on the buckling load of the column is discussed in details.

    Keywords: Non-Prismatic Columns, Meshless Local Petrov-Galerkin (MLPG) Method, Buckling, Radial Basis Function, Eigen-Value
  • R. Salamat Mamakani, A. Azhari* Pages 57-79

    Dynamic stability and liquefaction of tailings dams are great concerns for geotechnical engineers. In this study, the seismic response of the Esphordi mine tailing dam located in Bafgh seismic region of Yazd province is investigated. A finite-difference code (FLAC2D) is used to model the seismic liquefaction applying two constitutive criteria, namely Mohr-Coulomb and Finn-Byrne. For this purpose, a fish function is implemented into the code to simulate the non-linear elasto-plastic Finn-Byrne constitutive model. Horizontal and vertical displacements (subsidence) in the dam body, additional pore pressure, failure zones, and liquefaction due to seismic load were determined using the two selected criteria under the seismic load of the 6.4 magnitude earthquake occurred in 2005. Considering the type of behavioral model, Mohr-Coulomb and Finn-Byrne, the maximum horizontal displacement of 5 and 35 cm in the dam body and downstream, and subsidence of 4 and 23 cm at the dam crest and upstream are observed, respectively. Also, the calculated ratio of excess pore pressure (Ru), for both criteria, was less than the liquefaction limit (0.9), the maximum value of which was 0.7 for the Finn-Byrne criterion and 0.2 for the Mohr-Coulomb criterion. In general, the results show that considering the cumulative effect of the seismic load cycles in the Finn- Byrne model, this criterion provides a better understanding of the liquefaction phenomenon.

    Keywords: Mine Tailings Dams, Liquefaction, Mohr-Coulomb, Finn-Byrne, Finite-Difference Numerical Method, Dynamic Analysis
  • P. Gilavand, H. R. Heidari* Pages 81-94

    In this paper, the effect of water- iron oxide (Fe3O4) nanofluid on a channel heat transfer in the presence of perpendicular to the flow variable magnetic field with creating axial obstacles using a mixed single-phasee model is investigated numerically. The effects of magnetic field are added to governing equations of ferrofluid by writing codes and the problem geometry is generated and networked in Gambit 2.4 software. The network used is constructed in a three-dimensional and the governing non-linear differential equations are solved according to the finite volume method by using the Fluent software. Also, the effect of parameters such as obstacles in the flow path, dimensionless number of magnetic field intensity and Reynolds dimensionless number on heat transfer have been studied. The results show that creating obstacles in the flow path causes turbulence in the fluid flow, which increases the overall heat transfer. Also, the application of a magnetic field on the magnetic nanofluid causes the penetration of the cool boundary layer in the central parts of the channel and with increasing the intensity of the magnetic field, the penetration of this layer increases. As a result, the amount of Nusselt number and heat transfer has increased, and this improvement in heat transfer and Nusselt number increases with increasing Reynolds number.

    Keywords: Nanofluid, Channel, Nusselt number, Obstacles, Magnetic field
  • A. Panjebashi Naghsh, K. K. Esmaeili. Torkanpouri* Pages 95-108
    One of the new methods for powering low power electronic devices is the use of mechanical energies due to vibrations. In this method, the piezoelectric material is employed for converting the mechanical energy of vibration into the electrical energy. The advantage of this method is needlessness of using the battery charging system. In this paper, the functionally graded (FG) cantilever with the piezoelectric layer is considered as energy harvester system. The mathematical model of the system is constructed and the governing equation for electromechanical coupling is presented. Then the effects of the system parameters on the generated power is studied. Finally, by considering uncertainties in energy harvester parameters, the effect of uncertainties on the produced energy is investigated by Monte-Carlo simulation method for the first time. The results show that although the amount of generated power in the first natural frequency is higher than the other frequencies, but around the first natural frequency, the effect of uncertainties is increased and thus, the reliability of the energy harvester will be decreased.
    Keywords: Energy Harvesting, Functionally Graded, Uncertainties Analysis, Monte-Carlo Simulation
  • M. Nemati, M. Sefid*, M. S. Barghi Jahromi, R. Jahangiri Pages 109-126

    In the present work, the effect of magnetic field, changes in the angle of inclination of the cavity and the shape of nanoparticles on the flow field and heat transfer of water-alumina with uniform heat generation/absorption is investigated by Lattice Boltzmann method (LBM). The curved wall and the diagonal walls of the cavity are at a constant temperature of hot and cold, respectively. Nanoparticle volume fraction  of 0, 0.02 and 0.04, Hartmann number of 0, 15, 30, 45 and 60, heat generation/absorption coefficient of -5, 0 and +5 and inclination angle of 45, 135 and 225 degrees are studied. The high accuracy of the results compared to previous studies confirmed the correctness of the code written in Fortran language. The results shows that in all cases, increasing the Hartmann number leads to a decrease in the maximum value of the streamlines and the average Nusselt number, with the lowest effect at 225 degrees. Also increasing the strength of the magnetic field leads to an average decrease of 28, 23 and 7% of the average Nusselt number for angles of 45, 135 and 225 degrees, respectively. Increasing the heat generation/absorption coefficient is a determining factor in the effectiveness of the magnetic field and adding nanoparticles, and increasing it reduces the amount of heat transfer. On average, heat generation reduces the average Nusselt number by 71, 98, and 145 percent for the angles of 45, 135, and 225 degrees, respectively. In general, the lowest value of the average Nusselt number is related to the angle of 225 degrees, but the effect of adding nanoparticles in increasing the average Nusselt number is the highest at this angle. Generally, an increase in the percentage of nanoparticles leads to an average increase of 12% in the average Nusselt number. The effect of nanoparticle shape is more apparent with increasing their volume fraction. The highest amount of heat transfer is related to the cylindrical nanoparticles, in which the average Nusselt number is on average about 6% higher than the spherical state.

    Keywords: Natural convection, Nanoparticle shape, Magnetic field, Heat generation, absorption coefficient, Inclined cavity