فهرست مطالب

مجله مهندسی مکانیک امیرکبیر
سال پنجاه و چهارم شماره 5 (امرداد 1401)

  • تاریخ انتشار: 1401/05/01
  • تعداد عناوین: 13
|
  • امیرحسین رجب زاده نوبخت، جواد طغیانی، نرگس فلاح* صفحات 947-959

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

    کلیدواژگان: فنتون، فرایند اکسیداسیون پیشرفته، حذف رنگ، پساب پتروشیمی، الکتروفنتون
  • محمد حججی*، نیما عسگری، سید جلیل حسینی، امیرحسین رضوانی، بهشاد شریف زاده صفحات 961-984
    طوفان فرو وزشی قادر به ایجاد جریانات ریزشی واگرا بر روی سطح زمین است که این رفتار، متفاوت از رفتار جریانات لایه مرزی اتمسفر است. در این پژوهش تاثیرات طوفان فرو وزشی بر مدلی مکعب شکل از سازه ها در دو راستای متفاوت برخورد با جریان (α) در چهار زاویه ی قرارگیری مختلف صفحه آزمایش نسبت به راستای ریزش جریان (θ) در فواصل شعاعی مختلف نسبت به مرکز جریان، بررسی شده است. شبیه سازی این جریان توسط دمنده ای که وظیفه ی یکنواخت سازی جریان ایجاد شده توسط فن تعبیه شده در پشت آن را دارد ایجاد شده است. سرعت و شدت آشفتگی جریان در فواصل شعاعی مختلف اندازه گیری شده است. همچنین، توزیع ضریب فشار بر اضلاع این مدل در مکان های و حالات اشاره شده اندازه گیری شده است. علاوه بر این در مقایسه ای که بین داده های این مطالعه با مطالعات قبلی انجام گرفت، مطابقت مناسبی بین این داده ها مشاهده شده است. مشاهده شد که در مرکز ریزش جریان، در تمام زاویای θ، سازه دارای ضریب فشار مثبت در اضلاع خود می شود. با فاصله گرفتن از مرکز، رفتار این جریان شبیه به جریانات لایه مرزی خواهد شد. با افزایش θ، مشخص شد که اختلاف ضریب فشار بین ضلع رو به جریان با سقف و ضلع پشت به جریان بیشتر شده که در بدترین حالت حدود 80٪ تغییر کرده است. با بررسی راستای برخورد جریان به مدل، مشخص شد ضرایب نیرو در زمانی که مدل در α=45° قرار بگیرد، حدودا 35٪ کمتر از زمانیست که مدل در α=0° قرار بگیرد. درنهایت نیز مشخص شد که بیشترین مقدار ضریب نیرو در X/D=1بر سازه وارد می شود.
    کلیدواژگان: طوفان فرو وزشی، مدل مکعب شکل، ضرایب فشار و نیرو، زاویه ی برخورد، شبیه سازی تجربی
  • سینا افخمی، نعمت اله فولادی*، محمود پسندیده فرد صفحات 985-1005

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

    کلیدواژگان: شببیه سازی عددی، نازل سهموی بهینه تراست، الگوی جدایش جریان، مدل آشفتگی GEKO
  • نیما علیزاده، علیرضا جهانگیریان* صفحات 1007-1027

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

    کلیدواژگان: توربین باد افقی، سطح برآ افزا، اندازه حرکت المان پره، بهینه سازی آیرودینامیکی، بهینه سازی پره
  • فروزان رستمی، محمد رحمانی* صفحات 1029-1045

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

    کلیدواژگان: تشکیل قطره، جریان دوفازی، کانال جریان هم محور، روش حجم سیال، دینامیک سیالات محاسباتی
  • حسین اتحادی، مسعود تبیان جهرمی، حامد علی صادقی* صفحات 1047-1080
    در سال های اخیر، روش های عملگر در شبیه سازی های آیرودینامیکی مورد اقبال پژوهشگران قرارگرفته اند. این روش ها نسبت به روش هایی که در آن جسم صلب به صورت کامل مدل می شوند، سرعت محاسباتی بیشتری دارند، همچنین نسبت به روش های مرسومی که در آن از مدل های ساده شده، استفاده می کنند از دقت بیشتری برخوردار است. در این تحقیق روش صفحه ی عملگر برای شبیه سازی دو بعدی جریان حول ایرفویل در جریان پایا و تراکم ناپذیر به کار گرفته شده است. برای این منظور یک حلگر جریان به روش میانیابی اصلاح جرمی با مدل صفحه ی عملگر جفت شده است. به منظور ارزیابی دقت نتایج، روش صفحه ی عملگر با روش شبیه سازی کامل ایرفویل، مقایسه شده است. همچنین برای اولین بار تاثیر پارامترهای مختلف روش صفحه ی عملگر بر دقت شبیه سازی جریان موردبررسی قرارگرفته است. درنهایت نیز کانتورهای فشار و ورتیسیته با روش صفحه ی عملگر محاسبه شده و نتایج آن با نتایج حل عددی کامل ایرفویل مقایسه شده است. نتایج به دست آمده حاکی از آن است که اگر چه روش صفحه ی عملگر در محاسبه ی پارامترهایی چون سرعت و فشار، دقت متوسطی دارد، ولی قادر است نیروهای آیرودینامیکی و ساختار جریان را با دقت قابل قبولی پیش بینی کند. از روش ارائه شده دراین تحقیق، می توان به عنوان ابزاری کارامد در مطالعه نمونه های پیچیده تر استفاده نمود.
    کلیدواژگان: صفحه ی عملگر، ایرفویل، جریان پایا، جریان دوبعدی، جریان تراکم ناپذیر
  • مهدی اسدی، امیرموسی اباذری*، امین حسنوند صفحات 1081-1099

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

    کلیدواژگان: گرمایش از کف، انرژی خورشیدی، سیستم های حرارتی خورشیدی، آبگرمکن های خورشیدی، کلکتورهای خورشیدی
  • رویا قنبری، محمد مهدی هیهات* صفحات 1101-1124
    بازده جذب انرژی تابشی خورشید یکی از چالش های مهندسان در سامانه های خورشیدی است. استفاده از نانوسیال های هیبریدی که از پراکنده سازی دو یا چند نوع نانوذره در سیال پایه حاصل می شود، می توانند در جذب بهتر انرژی خورشیدی کارآمد باشند. در پژوهش حاضر، تاثیر نوع، غلظت و درصد اختلاط نانوذرات بر خواص تابشی و راندمان جذب انرژی تابشی خورشید بصورت تجربی مورد آزمایش قرار گرفته است. در ابتدا نانوسیال هیبریدی اکسید منیزیم و نانولوله کربنی چند جداره با سیال پایه آب به روش دومرحله ای در غلظت های حجمی 0/01%، 0/02% و 0/04% ساخته شده و سپس خواص تابشی نانوسیال ها بصورت تکی و هیبریدی توسط دستگاه اسپکتروفتومتر اندازه گیری شده و با روابط موجود مورد بررسی قرار گرفته است. در ادامه برای بدست آوردن راندمان جذب انرژی تابشی خورشید از دستگاه شبیه ساز خورشیدی استفاده شده است. نتایج نشان می دهد افزایش غلظت نانوسیال، سبب بهبود خواص تابشی و راندمان جذب تابش می شود. بهبود 38 برابری ضریب تخفیف نانوسیال اکسید منیزیم،40 برابری نانولوله کربنی چند جداره و حدود 50 برابری نانوسیال هیبریدی آن ها نسبت به سیال پایه بدست آمده است. نانوسیال هیبریدی در بالاترین غلظت آزمایش (0/04% حجمی) و در عمق نفوذ 0.3 سانتی متر بیش از 90% انرژی خورشید را جذب می کند. با افزایش غلظت، هیبریدی شدن نانوسیال و افزایش عمق نفوذ، جذب انرژی خورشیدی نیز افزایش می یابد.
    کلیدواژگان: نانوسیال هیبریدی، اکسید منیزیم، نانولوله کربنی، خواص تابشی، راندمان جذب انرژی خورشیدی
  • مهدی رحمدل، امین بهزادمهر*، حامد فرزانه، فرامرز سرحدی صفحات 1125-1148
    بهبود عملکرد چرخه رانکین آلی برای تولید همزمان توان، آب شیرین و حرارت با استفاده از انرژی خورشیدی برای پاسخگویی به نیاز در مناطق دور از مرکز از اهمیت بالایی برخوردار است. یکی از عوامل موثر در عملکرد این چرخه، رفتار ترمودینامیکی سیال آلی آن می باشد. تعیین گزینه مطلوب سیال عامل که هم در چرخه توان، هم تولید آب شیرین و همچنین حرارت از رفتار مناسبی برخوردار باشد از اهمیت ویژه ای برخوردار است. این پژوهش درصدد است تا با تحلیل، شبیه سازی و بهینه سازی یک چرخه رانکین تولید همزمان توان، آب شیرین و حرارت با استفاده از کلکتورهای سهموی خورشیدی به تعیین گزینه مطلوب بپردازد. لذا این چرخه با مخلوطی از سیالات آلی ، R152a,R600a و  R1234yfکه به ترتیب از خانواده سیالات تر، خشک و آیزنتروپیک هستند شبیه سازی می گردد. لذا ابتدا یک مطالعه ی پارامتری و در ادامه با استفاده از الگوریتم ژنتیک، بهینه سازی چندهدفه با توابع هدف توان، آب شیرین و حرارت به ازای کسر جرمی های مختلف از سیالات انجام شده است. نتایج نشان می دهد مخلوط سه جزئی برای دستیابی همزمان به سه هدف مناسب تر است در حالیکه که اگر یکی از اهداف مد نظر باشد بهتر است فقط از یکی از این سیالات با توجه به هدف مورد نظر بهره جست.
    کلیدواژگان: مخلوط سه جزئی، سیال آلی، چرخه تولید همزمان، سیکل رانکین آلی، بهینه سازی چندهدفه
  • پرهام فیروزی کوهی، محمدرضا خانی*، بابک شکری صفحات 1149-1165

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

    کلیدواژگان: مشعل پلاسما حرارتی، پلاسما هوا، جریان الکتریکی مستقیم، قوس الکتریکی غیر انتقالی، مشخصه یابی الکتریکی و ترمودینامیکی
  • سمیه داود آبادی فراهانی*، امیر داودآبادی فراهانی، فاطمه طیب زاده صفحات 1167-1180
    در این مقاله به مطالعه عددی انتقال حرارت و فرایند ذوب ماده تغییر فاز دهنده در یک محفظه ذخیره سازی سه لوله ای فین دار به صورت دو بعدی پرداخته شده است. اثر چیدمان مواد تغییر فاز دهنده به صورت سیال های نیوتنی و غیرنیوتنی بر روند ذوب بررسی شده است. از مدل غیرنیوتنی توانی و روش آنتالپی-تخلخل بر پایه روش حجم محدود به ترتیب برای شبیه سازی سیال غیرنیوتنی و فرایند ذوب استفاده شده است. نتایج نشان می دهد که فرایند ذوب در محفظه میانی و بیرونی برای سیال نیوتنی نسبت به سیال غیرنیوتنی به مقدار3/03 درصد بیشتر می باشد. برای بررسی اثر چیدمان سیال نیوتنی و غیرنیوتنی در بخش داخلی و خارجی محفظه دو چیدمان مختلف در نظر گرفته شده است: سیال نیوتنی-غیرنیوتنی و سیال غیرنیوتنی-نیوتنی. نتایج بیانگر آن است که هنگامی که از آرایش سیال نیوتنی- غیرنیوتنی استفاده می شود فرایند ذوب نسبت به آرایش سیال غیرنیوتنی- نیوتنی سریعتر است. به طور میانگین در هر زمان، مقدار میانگین کسر ذوب در حالت سیال نیوتنی- غیرنیوتنی در حدود 10/32 درصد بیشتر از حالت دیگر است. با افزایش پارامتر شاخص سازگاری و کاهش شاخص توانی سیال غیرنیوتنی مقدار کسر ذوب کاهش یافته است. همچنین مشاهده می شود تغییرات عدد ناسلت نیز مشابه تغییرات کسر ذوب است.
    کلیدواژگان: ذوب، ماده تغییر فاز دهنده، سیال غیرنیوتنی، مدل توانی، آرایش لایه ها
  • محمد تقیلو*، سید علیرضا صفوی صفحات 1181-1198
    مقاله حاضر، به بررسی اختلاف دمای محلی، میان ماده تغییر فاز دهنده و محیط متخلخل دوبعدی طی فرآیند ذوب با نظر گرفتن جابجایی طبیعی و شرط مرزی سینوسی، می پردازد. بدین منظور از تابع توزیع چگالی، برای حل معادله تکانه و از دو تابع توزیع جداگانه برای حل معادلات انرژی جهت محاسبه اختلاف دمای محلی و کسر مایع ماده تغییر فاز دهنده، استفاده شده است. بررسی تاثیر پارامترهایی نظیر دامنه و فرکانس نوسان و عدد اسپارو بر درصد اختلاف دمای محلی و مقایسه کسر مایع در دو حالت حضور و عدم حضور جابجایی طبیعی، از اهداف این مقاله است. نتایج نشان می دهد که با افزایش فرکانس نوسان از 1 به 3، درصد اختلاف دمای محلی از 41/44 % به 67/53% افزایش یافته و با افزایش دامنه نوسان از 1 به 3، درصد اختلاف دمای محلی از 41/44 % به 20/56 % کاهش می یابد. همچنین، با افزایش عدد اسپارو از 322 به 6000، درصد اختلاف دمای محلی از 41/44 % به 4/21 %  کاهش می یابد. از سوی دیگر، مشاهده می شود که با تغییر فرکانس نوسان، کسر مایع نسبت به شرایط رسانش محض تغییر چندانی نمی کند؛ حال آنکه با افزایش دامنه نوسان، درصد انحراف کسر مایع نسبت به رسانش محض، افزایش می یابد..
    کلیدواژگان: فرآیند ذوب، محیط متخلخل، اختلاف دمای محلی، دمای مرز سینوسی، روش بولتزمن شبکه ای
  • محمدتقی شروانی تبار*، شهرام کاشانی اصل، سیما باهری اسلامی، مرتضی یاری صفحات 1199-1219

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

    کلیدواژگان: راندمان حرارتی، آبگرمکن مخزن دار گازسوز، تنوره، شبیه سازی، موانع
|
  • Amirhosein Rajabzadeh Nobakht, Javad Toghiani, Narges Fallah * Pages 947-959

    Petrochemical industry effluents are one of the most hazardous effluents available, which contain toxic and biodegradable compounds, and their release into nature carries serious environmental risks. In this way, it is necessary to purify them. In this research, the Fenton method was used as one of the efficient advanced oxidation methods for Abadan petrochemical wastewater treatment. The effect of three parameters of ,  concentration and  ratio, and their interference on the dye removal efficiency of this effluent was performed using the design method of the Box-Bonken statistical test with the help of Design Expert software. In order to achieve the maximum amount of dye removal as an indicator of pollution, the optimal conditions were Selected by the software as , the amount of oxidizing , and the molar ratio . In these conditions, the highest rate of dye removal was predicted to be 79.5%, which in real conditions showed a yield of 72.5%, which is acceptable due to laboratory error (). The electro-Fenton method was also used to increase the removal efficiency. In the electro-Fenton method, under optimal conditions of Fenton process ( and ) and current density of , the maximum dye removal efficiency of 100% was obtained.

    Keywords: Fenton, Advanced Oxidation Process, Dye Removal, Petrochemical Effluent, Electro-Fenton
  • Mohammad Hojaji *, Nima Asgari, Saied Jalil Hosseini, Amir Hosein Rezvani, Behshad Sharifzadeh Pages 961-984
    A Downburst can produce divergent outflow wind on the ground surface, which is different from the behavior of atmospheric boundary layer flows. In this research, the effects of downburst on a cube-shaped structure in two different directions of flow (α), four different ground surface angels relative to the downburst direction (θ), and different radial distances (X/D) relative to the downdraft center were investigated by a simulator that was made for this thunderstorm. Simulation of this flow is created by a blower whose task is to uniformize the flow created by the fan embedded behind it. The velocity and turbulence intensity of flow was measured at different X/Ds. also, the distribution of pressure coefficient on the sides of the model was measured at the X/D locations. In addition, a good agreement has been observed between the data comparison of this study and previous studies. It was observed that at the center of the downburst for all θs, the structure has a positive pressure coefficient along its sides. By moving away from the center of the storm, the flow behavior is similar to the boundary layer flows. By increasing θ, it was found that the difference of pressure coefficient between the windward side relative to the roof and the backward sides, increased, which in the worst case has changed by about 80%. By examining the direction of flow to the model, it was found that the force coefficients when the model is at α=45°, are about 35% less than when the model is at α=0°. Finally, it was found that at X/D=1, the maximum force coefficient is applied to the structure.
    Keywords: Downburst Thunderstorm, Cube-Shaped Model, Pressure & Force Coefficient, Impact Angel, Experimental Simulation
  • Sina Afkhami, Nematollah Fouladi *, Mahmood Pasandideh Fard Pages 985-1005

    Complex flow separation in thrust optimized parabolic nozzles in the over-expanded condition is one of the challenging issues of many numerical investigations. The correct estimation of a thrust optimized parabolic nozzle performance extremely depends upon the accurate estimation of the onset of flow separation. Literature review indicates that conventional Reynolds-averaged Navier–Stokes turbulence models have a significant error in predicting the onset of flow separation in these types of nozzles due to the overestimating of turbulent kinetic energy production. Recently proposed generalized k-omega has made it possible to rectify numerical simulations based on governing physics and using limited experimental results. In the present study, the flow physics in the LEA_TOC nozzle has been investigated with the numerical simulation approach. At the first, the significant error of conventional Reynolds-averaged Navier–Stokes turbulence models is shown to simulate flow separation in this type of problem. Then, the generalized k-omega parameters are modified based on the limited experimental result of the LEA_TOC nozzle, and the ability of this model has been evaluated to estimate the flow physics under different pressure ratios. Numerical investigations show that generalized k-omega has a high capability for accurately estimating the onset of flow separation at a wide range of nozzle pressure ratios. Applying the corrected generalized k-omega has resulted in an improvement of about 30% in the estimation of the onset of separation in the over-expanded LEA_TOC nozzle compared to the k-ω-SST model.

    Keywords: Numerical Simulation, Thrust Optimized Parabolic Nozzle, Flow Separation Pattern, Generalized K-Omega Turbulence Model
  • Nima Alizadeh, Alireza Jahangirian * Pages 1007-1027

    In this research, a new type of add-on flap is presented and the effect of adding it to the blade of a horizontal axis wind turbine and optimizing its location and length is investigated. The use of an add-on flap is more cost-effective than other conventional methods since it does not need major modifications to the existing blades. For increasing the accuracy of the blade element momentum algorithm, the aerodynamic coefficients of the blade section are obtained by numerical solution of the governing equations, while in most similar studies, methods based on airfoil linear theory were used. The results showed that the modification made in the blade momentum element algorithm increased the accuracy of the solver while maintaining its computational speed. The results show that using this type of flap arrangement, the value of the base turbine power coefficient was increased from 0.29 to 0.41, which shows a significant increase compared to other methods.

    Keywords: Wind Turbine, Flap, Blade Element Momentum, Aerodynamic Optimization, Blade Optimization
  • Foruzan Rostami, Mohammad Rahmani * Pages 1029-1045

    Two-phase systems are important tools for droplet formation that have received much attention in recent decades due to their vast applications. In the present work, the process of water-in-oil droplet formation, in a coaxial geometry using the fluid volume method, and the impact of effective parameters such as dispersed phase velocity and density and also interfacial tension are investigated. The results are used to produce spherical γ-alumina particles by the oil drop method. In this study, using a laboratory setup, the factors affecting the droplet formation process are investigated. Results are validated against laboratory data. The measurement error is about 5% for droplet size and about 4% for sphericity. Studies show that although the mentioned parameters have a great effect on droplet size and separation time, the dependency of droplets diameter on interfacial tension and dispersed phase density is higher. Increasing the interfacial tension causes increasing droplets size and separation time. Also increasing the density of the dispersed phase reduces the diameter of the droplets and increases separation time. Increasing the velocity also had a small effect, but lead to an increase in size and reduced droplets separation time.

    Keywords: Droplet Formation, Two-Phase Flow, Co-Flow Channel, Volume Of Fluid Method, Computational Fluid Dynamics
  • Hossein Ettehadi, Masoud Tebyan Jahromi, Hamed Alisadeghi * Pages 1047-1080
    In recent years, actuator methods in aerodynamic simulations have been favored by researchers. These methods can significantly reduce the computational effort compared to full-scale body resolving simulations. They are also more accurate than conventional methods that use simplified models. In this study, an actuator surface model is used to simulate flow around an airfoil in a steady two-dimensional incompressible flow. In these models, the geometry of the airfoil is represented by volume forces distributed along the airfoil chord. For this purpose, the collocated method of mass corrected interpolation method is coupled with the Actuator Surface Model. To determine the accuracy of the results, the actuator surface method is compared with the full- computational fluid dynamics simulation method. Besides, a new study is presented to investigate the effect of changing different parameters of the actuator surface model on the accuracy of results. Finally, pressure and vorticity contours are plotted, and obtained results are compared with full- computational fluid dynamics results. The obtained results show that although the actuator surface has a moderate accuracy in calculating parameters such as velocity and pressure, it can predict aerodynamic forces and flow structures with acceptable accuracy. The method presented in this article can be used as an efficient tool in studying more complex cases.
    Keywords: Actuator Surface, Airfoil, Steady Flow, 2D Flow, Incompressible Flow
  • Mahdi Asadi, Amir Musa Abazari *, Amin Hasanvand Pages 1081-1099

    Nowadays, population growth and energy consumption, especially non-renewables, are growing significantly. It is expected that by increasing public awareness about the necessity of optimal energy consumption, the choice of methods and equipment that will lead to less energy consumption of the building, will be more welcomed. Among heating systems, the underfloor heating systems can reduce fuel consumption due to lower operating temperatures, despite creating uniform heat in all zones of the building. On the other hand, In Iran, which has a high potential for solar energy, it is possible that by combining underfloor heating and solar heating systems, despite the reduction of fossil fuel consumption, the desired heat in the building can be provided. In the present study, a combined floor heating system including a solar underfloor heating system and a hot water boiler is designed and simulated to heat a building in the cold climate of Iran to reduce fossil fuel consumption. The simulation results show that the solar heating system designed in this study can provide 98.5 % of the total energy required for domestic hot water and 17.3 % of the total energy required for underfloor heating. These results show that the heating system provided for building energy supply in the cold climate of Iran is very useful and can significantly reduce fossil fuel consumption.

    Keywords: Floor Heating, Solar Energy, Solar Thermal Systems, Solar Water Heaters, Solar Collectors
  • Roya Ghanbari, Mohammad Mahdi Heyhat * Pages 1101-1124
    The solar radiation absorption efficiency is one of the challenges for engineers in solar energy systems. Using the hybrid nanofluids, which are obtained by dispersing two or more types of nanoparticles in the base fluid, can be effective in better absorption of solar energy. In this study, the effect of type, concentration, and mixing percentage of nanoparticles on optical properties and solar thermal utilization efficiency has been tested. First, magnesium oxide nanofluids and multi-walled carbon nanotubes with water-based fluid were fabricated by a two-step method in volumetric concentrations of 0/01%%Vol, 0.02% Vol, and 0.04%Vol, and then the optical properties of single and hybrid forms were measured by spectrophotometer and have been compared by existing relations. Then, to obtain the solar thermal utilization efficiency, a solar simulator has been used. The results show that increasing the concentration of nanofluid, improves the optical properties and solar radiation absorption efficiency. Magnesium oxide nanofluid, multi-walled carbon nanotubes, and hybrid nanofluid have the values of extinction coefficient about 38, 40, and 50 times higher than pure water, respectively. The hybrid nanofluid absorbs more than 90% of the sun's energy at the highest concentration (0.04% Vol) and at a penetration depth of 0.3 cm. Solar energy absorption increases by increasing the concentration, hybridizing the nanofluid, and increasing the penetration distance.
    Keywords: Hybrid Nanofluid, Magnesium Oxide, Carbon Nanotube, Optical Properties, Solar-Thermal Utilization Efficiency
  • Mahdi Rahmdel, Amin Behzadmehr *, Hamed Farzaneh, Faramarz Sarhaddi Pages 1125-1148
    Improving the performance of a tri-generation organic Rankine cycle for the production of power, fresh water and heat using solar energy to respond to the needs in remote areas is very important. One of the effective factors in the performance of such a cycle is the thermodynamic behavior of its working fluid. Finding a suitable working fluid that has a good behavior on power generation, freshwater production and heat are of particular importance. This study aims to find an appropriate working fluid by analyzing, simulating, and optimizing a tri-generation Rankine cycle powered by solar parabolic trough collectors for simultaneous production of power, fresh water, and heat. The performance of this cycle is investigated with various mixtures of organic fluids R152a, R600a, and R1234yf which are categorized as wet, dry, and isotropic fluids, respectively. Therefore, first, a parametric study is conducted and followed by a multi-objective optimization for which power, fresh water, and heat are the objective functions. While the various mixture of these three working fluids are considered to be optimized. The results show that three-component mixture is more suitable for achieving three goals simultaneously, while if one of the objectives is considered, only one of these fluids should be used.
    Keywords: Three-Component Mixture, Organic Working Fluid, Tri-Generation Rankine Cycle, Organic Rankine Cycle, Multi-Objective Optimization
  • Parham Firoozi, Mohammad Reza Khani *, Babak Shokri Pages 1149-1165

    Industrial and research use of thermal plasma technology for a wide range of applications such as material processing, gasification, and disposing of hazardous waste. In this research, we have designed and manufactured a plasma torch for the gasification of liquid carbon-based materials. In particular, these materials must be sprayed at a certain angle into the plasma. The plasma torch is one of the components of a liquid waste gasification device, in this research, we have only studied the thermodynamic and electrical characteristics of the plasma torch. The plasma torch has been tested in two cases Finally, the electrical and thermodynamic characteristics of the plasma torch were measured and compared to each other. According to the results, the plasma torch has a maximum electrical voltage of 210 V and thermal efficiency of 86.2%. The maximum plasma enthalpy value is 21.5 MJ/kg and the maximum plasma jet temperature at the nozzle outlet is 3400 K. Plasma torch at a distance of 20 mm from the nozzle outlet has a temperature above 3000 degrees Celsius, which can be completely gasified the organic compounds and carbonaceous materials.

    Keywords: Thermal Plasma Torch, Air Plasma, Electric Direct Current, Non-Transfer Electric Arc, Electrical, Thermodynamic Characteristics
  • Somayeh Farahani *, Amir Davoodabadi Farahani, Fatemeh Tayebzadeh Pages 1167-1180
    In this paper, a numerical study is presented on the investigation of heat transfer and melting process of phase change material in a finned triplex tube. The non-Newtonian Power-Law model is used to simulate the non-Newtonian fluid and the enthalpy-porosity method is used to simulate the melting process. The results show that the melting process in the case of using Newtonian fluid is more than in the case of using non-Newtonian fluid. Thus, the average value of the melting fraction of the phase change material in 5000 seconds is about 3.03% higher for the Newtonian phase change material. The effect of the two-layer composition of the Newtonian & non-Newtonian phase change material and how they are placed in the middle and outer tubes on the melting process has been investigated. For this purpose, two arrangements have been considered according to the way the fluids are placed in the middle-outer tube: 1. Newtonian & non-Newtonian fluid and 2. Non-Newtonian fluid - Newtonian. The melting process for the Newton-non-Newtonian fluid state is faster than for the non-Newtonian-Newtonian fluid state. The melting fraction in the Newtonian & non-Newtonian fluid states is about 10.32% higher than in the other state. The amount of melting fraction decreases with increasing Consistency index and decreasing Power-law index. The Nusselt number changes are similar to the melting fraction changes.
    Keywords: Melting, Phase Change Material, Triplex Tube, Non-Newtonian Fluid, Arrangement
  • Taghilou Taghilou *, Seyed Alireza Safavi Pages 1181-1198
    This paper investigates the local temperature difference between the phase change material and porous medium during the two-dimensional melting process by considering natural convection and applying sinusoidal boundary condition. Hence, the density distribution function is used to solve momentum equations and two separate distribution functions are used to solve energy equations to calculate the local temperature difference and liquid fraction of the phase change material. Also, the effect of parameters such as amplitude and frequency of oscillation and Sparrow number on the percentage of local temperature difference and comparison of liquid fraction in the presence and absence of natural convection, are studied. Results show that with increasing frequency from 1 to 3, the percentage of local temperature difference increased from 41.44% to 67.53%, and with increasing oscillation amplitude from 1 to 3, the percentage of local temperature difference is reduced from 41.44% to 20.56%. Also, by increasing the Sparrow number from 322 to 6000, the percentage of local temperature difference decreases from 41.44% to 4.21%. Also, it is observed that by changing oscillation frequency, liquid fraction does not change much compared to the conditions of pure conduction; however, as the amplitude of oscillation increases, the percentage of deviation of liquid fraction from the pure conduction increases.
    Keywords: Melting Process, Porous Medium, Local Temperature Difference, Sinusoidal Boundary Temperature, Lattice Boltzmann Method
  • Mohammad Taghi Shervani Tabar *, Shahram Kashaniasl, Sima Baheri Islami, Morteza Yari Pages 1199-1219

    In this research for the aim of optimizing the gas consumption, increasing the thermal efficiency of a household gas water heater has been investigated numerically. The optimal design and configuration of the baffles in the middle tube of the gas water heater prevents the quick exit of the exhaust gases and consequently increases the retention time of the hot gases inside the middle tube and reduces the wasting of their thermal energy. The combustion process in the gas water heater is a chain process and completing this process occurs along its path in the middle tube. Therefore for obtaining the maximum thermal efficiency, the numerical analysis of the combustion process and designing and configuration of the baffles inside the middle tube have been carried out and conducted simultaneously. The Ansys Fluent computational fluid dynamics code has been employed for the computational simulation of the combustion of the gas, the heat transfer from the contents of the middle tube into the water tank and distribution of the velocity of the exhaust gases along their path inside the middle tube and around the baffles. Computational simulation of the problem under investigation has been carried out by considering different geometries and configurations of the baffles along the path of the exhaust gases. Numerical results show that the mass fraction of the methane gas and the carbon dioxide in the exhaust gases is negligible and consequently all of the methane gas has been consumed. The numerical results have been verified by the experimental results.

    Keywords: Thermal Efficiency, Household Gas Water Heater, Middle Tube, Simulation, Baffles