فهرست مطالب
نشریه مهندسی مکانیک مدرس
سال بیست و چهارم شماره 12 (آذر 1403)
- تاریخ انتشار: 1403/12/15
- تعداد عناوین: 6
-
-
صفحات 677-686
در این مقاله، به بررسی تاثیر افزودن مخلوط آب و متانول به سوخت و تاثیر آن بر عملکرد و آلایندگی موتور EF7 توربوشارژ (TC) پرداخته شده است. به این منظور، ابتدا با استفاده از GT Power موتور مورد نظر شبیه سازی و پس از اعتبار سنجی با سوخت بنزین، مخلوط آب و متانول با نازل وارد مدار شده و سپس نتایج، مورد بررسی قرار گرفته است. در این مقاله پس از شبیه سازی موتور به شبیه سازی نازل پاشش مخلوط آب و متانول پرداخته شده است که این مخلوط در سه حالت 50% آب %50 متانول، 25 %آب 75% متانول و 75% آب و 25% متانول شبیه سازی شده است. اصلی ترین نوآوری این تحقیق شبیه سازی پاشش مخلوط آب و متانول به منظور بهبود کیفیت احتراق است که نتایج حاصل از شبیه سازی نشان می دهد، دما به میزان قابل توجهی در نقاط مختلف کاهش پیداکرده است. همچنین در این مدل به بررسی کوبش (knock) ،آلایندگی های اکسیدهای نیتروژن (NOx) ، مونوکسیدکربن (CO)، دی اکسیدکربن (CO2)، نیتروژن مونوکسید (NO) و پارامتر های عملکردی مشابه که با اضافه شدن آب و متانول تغییر داشته اند، پرداخته شده است.
کلیدواژگان: مخلوط آب و متانول، آلایندگی، عملکرد -
صفحات 687-697
بیوگاز یک سوخت کم کالری است که از متان (%70-50) و کربن دی اکسید (%50-30)، با مقادیر کمیاب از سایر ذرات تشکیل شده است. احتراق سوخت های کم کالری اغلب شامل چالش های قابل توجهی در رابطه با پایداری شعله در بیشتر مشعل های معمولی است. احتراق محیط متخلخل یک روش موثر برای هدایت گرمای شعله به مخلوط ورودی است که می تواند سبب افزایش پایداری شعله شود. در بیشتر مطالعات، از بیوگاز در کار آزمایشگاهی یا شبیه سازی عددی با هندسه ساده استفاده شده است. در این مطالعه یک مشعل متخلخل دولایه ای با سوخت بیوگاز با هندسه برگرفته از یک کار آزمایشگاهی به صورت دوبعدی شبیه سازی عددی شده است و اثر هندسه مشعل که در تحقیقات قبل بررسی نشده بود، بر روی توزیع دمای جامد متخلخل و بازده تابشی مورد ارزیابی قرار گرفته است. نتایج نشان می دهد که کاهش مقدار کربن دی اکسید در ترکیب سوخت باعث افزایش دمای سطح مشعل می شود. همچنین تغییر در سطح مشترک لایه های متخلخل که به دو صورت مخروطی و کروی در دو حالت همگرا و واگرا شبیه سازی شده است، باعث تغییر در مکان تشکیل شعله، دمای بیشینه احتراق، دمای سطح مشعل و بازده تابشی مشعل می شود. بیشترین دمای احتراق و بیشترین دمای سطح مشعل برای هندسه مخروطی در حالت همگرا رخ می دهد. با افزایش 10 درصد کربن دی اکسید در ترکیب سوخت بیوگاز ورودی، بازده تابشی به طور متوسط 25 درصد کاهش می یابد. بازده تابشی مشعل واگرا در حالت هندسه مخروطی حدود 37 درصد و در حالت هندسه کروی حدود 25 درصد بیشتر از مشعل همگرا است. بیشترین بازده تابشی برای مشعل واگرا با کربن دی اکسید 30 درصد می باشد
کلیدواژگان: شبیه سازی عددی، شعله ی پیش آمیخته، محیط متخلخل، بیوگاز، بازده تابشی -
صفحات 699-707
امروزه یکی از نگرانی های جامعه ی جهانی کمبود آب شیرین میباشد. برای حل بحران کمبود آب شیرین، روش های مختلفی از جمله استفاده از آب موجود در جریان مه آلود جهت دستیابی به آب شیرین پیشنهاد شده است. استحصال آب از مه به عنوان یک روش پایدار و موثر برای تامین آب شیرین شناخته می شود. در مطالعات، از انواع مختلف المان ها جهت جمع آوری آب از جریان مه آلود استفاده شده است. یکی از پرکاربردترین المان های جمع کننده ی مه که در مطالعات مختلف از آن ها استفاده شده است توری های بافته شده با شکل هندسی حفره ی مربعی می باشند. از مهم ترین معایب این نوع از المان ها می توان به راندمان جمع آوری آب پایین آن ها به خصوص در سرعت های پایین جریان باد اشاره کرد. در این مطالعه جهت بهبود راندمان جمع آوری، دو شکل هندسی حفره ی توری، مثلثی و شش ضلعی، پیشنهاد و با توری مربعی معادل از لحاظ ضریب سایه مقایسه شده است. بررسی ها به صورت تجربی و توسط یک بستر آزمون تجربی که امکان همانند سازی جریان هوای مه الود اتمسفری را فراهم می سازد در دو سرعت جریان هوا صورت گرفته است. نتایج این مطالعه نشان می دهد که شکل هندسی حفره ی توری یکی از عوامل اثرگذار در نرخ استحصال آب می باشد به طوریکه استفاده از توری مثلثی و شش ضلعی در مقایسه با توری مربعی، حداکثر به ترتیب می تواند نرخ استحصال آب را تا 6/12 و 29 درصد بهبود ببخشد
کلیدواژگان: استحصال آب از مه، هندسه ی توری، توری مثلثی، توری مربعی، توری شش ضلعی -
صفحات 717-726
در پوشش های سد حرارتی (TBC) ترک های سطحی، جدایش پوشش از فلز پایه و تغییرات ضخامت ممکن است در طول فرایند ساخت یا چرخه عمر رخ دهند که منجر به عملکرد ضعیف و در نهایت منجر به یک واماندگی خطرناک در سیستم شود. اصلی ترین هدف آزمایش های غیر مخرب پوشش های سد حرارتی، تشخیص این عیوب و تعیین سلامت پوشش است. روش های مختلف بازرسی غیر مخرب برای ارزیابی پوشش های سد حرارتی مطرح شده اند که با توجه به مزایای متعدد گرمانگاری از جمله سرعت بالا، ارزان، ایمن، بدون نیاز به تماس مستقیم، قابلیت اتوماسیون و بازرسی سطح وسیعی از قطعه، این روش مورد توجه ویژه محققان قرار گرفته است. در این پژوهش روش ساخت نمونه هایی با قطرهای مختلف عیوب جدایش مصنوعی ارائه خواهد شد. در ادامه نحوه چیدمان تجهیزات و فرایند گرمانگاری از نمونه ارائه شده است. نتیجه گیری شد که مشکی کردن رنگ سطح نمونه با افزایش میزان جذب انرژی حرارتی، قابلیت شناسایی عیوب جدایش را بالاتر برده و نسبت سیگنال به نویز را به میزان 257 درصد افزایش داد.در نهایت با پیاده سازی فیلترهای مختلف روی تصاویر خام حرارتی ضبط شده، نشان داده شده است که در هر دو نمونه بهترین فیلتر از منظر SNR، فیلتر میانه و در مرحله بعد فیلتر گاوسین است. فیلتر حذف تصویر زمینه نیز اثر محسوسی در افزایش نسبت سیگنال به نویز نداشته است و با کاهش خطای ثابت به عنوان مکمل فیلترهای میانه و گاوسین عمل کرده است.
کلیدواژگان: پوشش عایق سد حرارتی، گرمانگاری فعال، بازرسی غیر مخرب، عیوب جدایش، افزایش قابلیت شناسایی عیوب -
صفحات 727-738
این مطالعه به بررسی احتراق مخلوط هیدروژن و متان در محفظه احتراق حلقوی میکروتوربین C30 پرداخته است. هدف اصلی تحقیق ارزیابی تاثیر احتراق پیش مخلوط متان و هیدروژن بر میزان آلایندگی و دمای خروجی در یک محفظه احتراق حلقوی است. شبیه سازی های انجام شده با استفاده از مدل احتراقی نیمه پیش آمیخته و مدل توربولانسی k-ε انجام شده و از تابع چگالی احتمال PDF برای شبیه سازی واکنش های شیمیایی استفاده می شود. برای تحلیل دقیق نتایج در رابطه با میزان آلایندگی تولیدی، تحلیل و مقایسه در دمای ورودی توربین ثابت انجام شد. نتایج نشان می دهند که با افزودن هیدروژن به متان حتی در دمای ورودی توربین ثابت به علت افزایش دمای شعله در مقایسه با متان خالص، میزان آلاینده NOx افزایش پیدا می کند، اما می تواند به کاهش مصرف سوخت تا 35 درصد کمک کند. همچنین مشخص شد که استفاده از مخلوط 60 درصد متان و 40 درصد هیدروژن موجب کاهش 61 درصدی در تولید CO2 می شود. این مطالعه نشان داد می توان به علت پیش مخلوط بودن سوخت و هوا، هندسه حلقوی و الگوی چرخشی جریان در سراسر محفظه احتراق، در ترکیب سوخت شامل 30 درصد هیدروژن، تولید NOx را به ppm 1/16 رساند، که به طور قابل توجهی کمتر از مقدار ppm 46 گزارش شده در مطالعات پیشین است. همچنین میزان آلاینده CO با افزایش سهم هیدروژن در سوخت 16 درصد کاهش پیدا می کند. این نتایج نشان می دهد که محفظه احتراق های حلقوی با جریان پیش مخلوط و استفاده از ترکیب سوخت هیدروژن و متان، پتانسیل بالایی برای کاهش آلاینده ها و بهینه سازی مصرف سوخت دارند.
کلیدواژگان: میکروتوربین، محفظه احتراق، هیدروژن، احتراق پیش آمیخته
-
Pages 677-686
This study investigates the effects of water-methanol mixture injection on the performance and emissions of the EF7 TC engine. Using GT Power software, the engine was first simulated and validated with gasoline fuel. Subsequently, a nozzle was used to introduce the water-methanol mixture, simulated in three different ratios: 50% water-50% methanol, 25% water-75% methanol, and 75% water-25% methanol. The novelty of this research lies in the simulation of this injection process to enhance combustion quality. Results indicate significant temperature reductions at various points, alongside notable changes in knock characteristics and emissions, including nitrogen oxides (NOx), carbon monoxide (CO), carbon dioxide (CO₂), and nitrogen monoxide (NO).
Keywords: Performance, EF7 TC Engine, GT Power., Water-Methanol Mixture, Emission -
Pages 687-697
Biogas is a low-calorie fuel comprises 50-70% methane and 30-50% carbon dioxide, with small amounts of other particles. Combustion of low-calorie fuels often involves significant challenges related to flame stability in most burners. Combustion of porous media is an effective method of directing flame heat to the input mixture, which can increase flame stability. In most studies, biogas has been used in experimentaly work or numerical simulation with simple geometry. In this paper, researchers simulate a two-layer porous burner with biogas fuel, based on an experimental design, in two dimensions. They evaluate the effect of the burner geometry, which was not investigated in previous researches, on the temperature distribution and the radiation efficiency. The results show that reducing the amount of carbon dioxide increases the burner surface temperature. Additionally, changes in the interface of the porous layers, simulated in two conical and spherical forms in two converging and diverging states, cause changes in the place of flame, the maximum combustion temperature, the temperature of the burner surface, and the radiation efficiency. The maximum combustion temperature and the maximum burner surface temperature occur for the conical geometry in convergent mode. Increasing 10% of carbon dioxide in the biogas fuel reduces the radiation efficiency by 25% on average. The radiation efficiency of the divergent burner is more than the convergent mode, about 37% for conical geometry and about 25% for spherical geometry. The maximum radiation efficiency is achieved when the burner is divergent and the amount of carbon dioxide is 30%.
Keywords: Numerical Simulation, Premixed Flame, Porous Medium, Biogas, Radiation Efficiency -
Pages 699-707
Nowadays, fresh water scarcity is one of the major concerns of the global community. To tackle the freshwater scarcity situation, several solutions have been suggested, including the extraction of water from fog-laden flow. Fog harvesting is known as a sustainable and effective approach to supplying freshwater. Various types of fog collecting elements (FCEs) have been implemented in studies to collect water from fog-laden flow. Woven meshes with square-shaped holes are among the most frequently employed FCEs in studies. One of the major drawbacks of these types of FCEs is their low water collection efficiency, particularly at low wind velocities. In this study, two alternative mesh hole geometries, triangular and hexagonal, were proposed to enhance the collection efficiency and compared with an equivalent square mesh in terms of the shading coefficient (SC). The evaluations were conducted experimentally using an experimental setup capable of mimicking atmospheric fog-laden flow at two different air velocities. The results indicate that the water harvesting rate is highly affected by mesh hole geometry. Using triangular and hexagonal meshes, compared to square mesh, can improve the water collection rate by up to 12.6% and 29%, respectively
Keywords: Keywords Fog Harvesting, Mesh Geometry, Triangular Mesh, Square Mesh, Hexagonal Mesh -
Pages 709-716
The accurate prediction of crack initiation and growth in manufacturing processes is crucial for minimizing production costs and enhancing the reliability of components. This study focuses on integrated experimental investigation and fracture modeling approach for ductile metals, particularly addressing the mechanisms of ductile fracture and shear localization. The importance of establishing robust damage criteria for accurate reliable numerical simulations cannot be denied. Current literature reveals a significant lack of data on shear and ductile fracture criteria for materials like stainless steel alloy 304. To address this gap, a series of experimental tests was conducted to extract the necessary coefficients for these criteria. Various sample geometries were analyzed to investigate the effects of different triaxiality stress states and loading rates on fracture initiation. The triaxiality stress states were chosen within a range of 0.2 to 2 and strain rates were applied at values of 0.02 s-1, 4.5 s-1, and 30 s-1. A set of coefficients for modeling ductile and shear fracture was derived, taking into account the effects of loading rate and orientation. This research not only provides critical coefficients for fracture modeling but also supports the optimization of manufacturing processes in the automotive industry and other sectors, ultimately contributing to improved material performance and component reliability
Keywords: Ductile Fracture, Shear Fracture, Hooputra Model, Stress Triaxiality, Loading Rate -
Pages 717-726
In thermal barrier coatings (TBC), surface cracks, debonding, and thickness degradation may occur during the manufacturing process or life cycle, leading to poor performance and ultimately a dangerous system failure. The main goal of non-destructive testing of thermal barrier coatings is to detect these defects and determine the health of the coating. Various non-destructive inspection methods have been proposed to evaluate thermal barrier coatings, and due to the numerous advantages of thermography, including high speed, low cost, safety, no need for direct contact, automation capability, and inspection of a large area of the part, this method has received special attention from researchers. This study will present a method for manufacturing samples with different diameters of artificial separation defects. The following is the equipment's arrangement and the sample's thermography process. It was concluded that blackening the surface of the sample by increasing the amount of thermal energy absorption increased the ability to identify separation defects and increased the signal-to-noise ratio by 257%. Finally, by implementing different filters on the recorded raw thermal images, it has been shown that in both cases the best filter in terms of SNR is the median filter and then the Gaussian filter. The background removal filter also had no noticeable effect on increasing the signal-to-noise ratio and acted as a complement to the median and Gaussian filters by reducing the fixed error.
Keywords: Thermal Barrier Coating, Active Thermography, Non-Destructive Inspection, Debonding Defects, Contrast Enhancement -
Pages 727-738
This study investigates the combustion of hydrogen-methane mixtures in the annular combustion chamber of a C30 microturbine. The primary objective is to evaluate the impact of premixed methane-hydrogen combustion on pollutant emissions and outlet temperature in an annular combustion chamber. Simulations were performed using a partially premixed combustion model and the k-ε turbulence model, employing the Probability Density Function (PDF) approach for chemical reaction modeling. To ensure a detailed analysis of pollutant emissions, comparisons were conducted at a constant turbine inlet temperature. The results indicate that adding hydrogen to methane increases NOx emissions due to the higher flame temperature compared to pure methane, even at constant turbine inlet temperatures. However, this blend can reduce fuel consumption by up to 35%. Additionally, a fuel mixture of 60% methane and 40% hydrogen results in a 61% reduction in CO2 emissions. The study further revealed that, owing to the premixed nature of the fuel-air mixture, the annular geometry, and the swirling flow pattern within the combustion chamber, a fuel blend containing 30% hydrogen can lower NOx emissions to 16.1 ppm—significantly less than the 46 ppm reported in previous studies. Moreover, increasing the hydrogen fraction in the fuel reduced CO emissions by 16%. These findings demonstrate that annular combustion chambers with premixed flows and hydrogen-methane fuel blends have considerable potential for reducing pollutant emissions and optimizing fuel consumption.
Keywords: Microturbine, Combustion Chamber, Hydrogen, Premixed Combustion