تجزیه و تحلیل کیفیت اختلاط در یک میکرومیکسر گریز از مرکز منحنی شکل از طریق شبیه سازی عددی

Analyzing mixing quality in a curved centrifugal micromixer through numerical simulation

چکیده

1-مقدمه

2- فرمولاسیون عددی و معادلات حاکمه

2-1- هندسه اصل و طراحی

2-2- شرایط مرزی

2-3- روش عددی

3- نتایج و بحث

3-1- آنالیز حسایت شبکه

3-2- آنالیز اعتبارسنجی

3-3- اثر انحناء

3-4- تاثیر سرعت زاویه ای

3-5- اثر شعاع بازشدگی

4- نتیجه گیری

چکیده

آزمایشگاه روی یک CD (LOCD)، همچنین معروف به میکروسیالهای گریز از مرکز، به پلتفرم پیچیده برای انجام تحقیقات زیست پزشکی به دلیل مینیاوتوری سازی شگفت آور آن و شبیه سازی دقیق واکنش های بیولوژیکی تکامل یافته است. اختلاط سیال در میان کاربردهای متعدد LOCD قرار دارد. در این مقاله یک میکرومیکر مارپیچی گریز از مرکز شبیه سازی شده است و برای عملکرد اختلاط بهتر اصلاح شده است. این میکرومیکسر به صورت انحنادار (منحنی شکل) انتخاب شد زیرا که طراحی منحنی شکل پی برده شد که سه برابر طراحی مستطیلی دارای کارکرد و جمع و جور است و عمل اختلاط را به صورت معقولانه انجام می دهد. دو پارامتر سرعت زاویه ای و شعاع بازشدگی در اصل فرض شدند که عملکرد اختلاط را تحت تاثیر قرار می دهند. تاثیر سرعت زاویه-ای روی یک طیف گسترده با شروع از مقادیر نسبتاً پایین مورد مطالعه قرار گرفت. این پی برده شد که با افزایش سرعت زاویه ای، عملکرد اختلاط در وهله اول کاهش می یابد و به محض رسیدن به میزان کمینه در سرعت زاویه-ای آستانه، به طور پیوسته شروع به افزایش می کند. سرعت زاویه ای آستانه پی برده که نقطه ای است که در آن رژیم اختلاط از پراکنشی به جریان ثانویه تغییر می کندو این نیز محقق شد که افزایش شعاع بازشدگی سبب ارتقاء عملکرد اختلاط تنها به میزان ناچیز می شود به طوری که ابزار عملی برای کارآمدسازی هرچه بیشتر میکرومیکسرها نخواهد بود.

1-مقدمه

آزمایشگاه روی تراشه (LOC) یک پلتفرم مینایتوری سازی ریزسیالی مورد استفاده در بسیاری از تحقیقات شیمیایی، زیست پزشکی و بیولوژیکی است؛ برای مثال آزمون مراقبتی در بالین بیمار (POCT) [1، 2، 3، 4، 5]. به دلیل ابعاد کوچک خود، میزان نمونه مصرفی و معرف نسبت به دیگر پلتفرمهای آزمایشگاهی معروف بسیار کم است؛ برای مثال نانولیتر در برابر میلی لیتر، سبب می شود تا LOC با در نظرگیری هزینه های مادی بسیار کارآمد باشد [6، 7]. چندین ماژول یا واحد عملیاتی می توانند روی LOC برای کاربردهای متعدد در تحقیقات بیولوژیکی همانند اختلاط، شیر تنظیمی و جداسازی بنا شوند [8]. مسئله در ارتباط با LOC این است که هر واحد عملیاتی نیازمند یک میکروپمپ مجزا، اغلب پمپهای سرنگی، به عنوان نیروی محرکه آن جهت فعالیت است. بنا به این دلیل، LOCهای چندمنظوره نسبتا کمیاب هستند از آنجایی که به کارگیری چندین میکروپمپ در یک LOC سبب پیچیدگی طراحی آن می شود و ساخت آن را سخت تر می سازد. جهت غلبه بر محدودیت چندمنظورگی، آزمایشگاه روی یک CD (LOCD) معرفی گردید. 

4- نتیجه گیری

در این مقاله، یک میکرومیکسر مارپیچی گریز از مرکز همراه با تغییراتی که عملکرد اختلاط را افزایش دادند، مورد تحقیق و بررسی قرار گرفت. طراحی میکرومیکسر منحنی شکل بود از آنجایی این پی برده شد که به دلیل جریان دین قوی ناشی از انحناء، میکرومیکسر منحنی شکل کاملا بهتر از طراحی مستقیم خطی معمول عمل می کند. برای بیان کمی آن، طراحی منحنی شکل به کیفیت اختلاط 90 درصد در طول کانال رو به پایین 10 میلیمتر دست پیدا می کند در حالیکه طراحی مستقیم خطی معادل به این میزان کیفیت اختلاط در طول  30 میلیمتر دست پیدا می کند.این بدین معنی است که طراحی منحنی شکل دارای عملکرد سه برابر بهتر و سه برابر فشرده تر از نقطه نظر طراحی هندسی است. اثر سرعت زاویه ای LOCD روی عملکرد اختلاط به طور کامل مورد مطالعه قرار گرفت.

Abstract

The Lab On a CD (LOCD), also known as Centrifugal Microfluidics, has evolved into a sophisticated platform for performing biomedical assays due to its marvelous miniaturization and accurate simulation of biological reactions. Among the numerous applications of the LOCD is fluid mixing. In this paper a centrifugal, serpentine micromixer is simulated and reformed toward better mixing performance. The micromixer was chosen to be curved as a curved design was found to be thrice as functional and compact as a rectilinear design, mixing-wise. The two angular velocity and opening radius parameters were originally hypothesized to affect mixing performance. Effect of angular velocity was studied over a broad range starting from quite low values. It was gathered that with increasing angular velocity, mixing performance initially drops and upon reaching a minimum at a threshold angular velocity, begins to continuously increase. The threshold angular velocity was found to be the spot at which the mixing regime changes from diffusion to secondary flow. It was also realized that increasing the opening radius enhances mixing performance only insignificantly, such that it would not be a practical means of making micromixers more efficient.

1- Introduction

The Lab-On-A-Chip (LOC) is a microfluidic miniaturization platform used in many chemical, biological and biomedical assays; e.g. the Point Of Care Testing (POCT) (Figeys and Pinto [1], Haeberle et al. [2], Lee and Choi [3], Chin et al. [4], Ryu et al. [5]). Because of its small dimensions, the amount of the consumed sample and reagent is significantly less than other known experimental platforms; i.e. nanoliters vs. milliliters, making the LOC extremely efficient concerning material expenses (Srinivasan et al. [6], Fair [7]). Several modules or operational units could be erected on the LOC for various applications in biological assays such as mixing, valving and separation (Strohmeier et al. [8]). The problem with the LOC is that each operational unit requires a separate micropump, mostly syringe pumps, as its driving force to operate. For this reason, multifunctional LOCs are rather scarce since employing several micropumps in an LOC complexes its design, making it harder to fabricate. To overcome the limitation on multifunctionality, the Lab-On-A-CD (LOCD) was introduced.

4- Conclusion

In this paper a centrifugal, serpentine micromixer was investigated along with modifications which enhanced mixing performance. The micromixer was given a curved design since it was realized that because of a strong Dean flow induced due to the curvature, the curved micromixer functions quite superiorly to a typical, rectilinear design. To put it quantitatively, the curved design reaches 90% M.Q. within 10 mm of down-channel length, whereas the equivalent rectilinear design reaches it in 30 mm. This means the curved design is three times as functional and compact, from a geometric design perspective. The effect of angular velocity of the LOCD on mixing performance was comprehensively studied.

تصویری از مقاله ترجمه و تایپ شده در نرم افزار ورد

تجزیه و تحلیل کیفیت اختلاط در یک میکرومیکسر گریز از مرکز منحنی شکل از طریق شبیه سازی عددی

Analyzing mixing quality in a curved centrifugal micromixer through numerical simulation

تاثیر سرعت و ابعاد نانو ذرات جامد بر انتقال حرارت در نانوسیال غیر نیوتنی

The effect of velocity and dimension of solid nanoparticles on heat transfer in non-Newtonian nanofluid

چکیده

1- مقدمه

2- مدل ریاضی

2-1 بیان مسأله

3- معادلات حاکم

4- خواص و روش‌ها

5- بررسی استقلال از شبکه‌

6- تجزیه و تحلیل نتایج

6-1 اعتبار‌سنجی

7- نتیجه‌گیری

چکیده

در این تحقیق، رفتار هیدرودینامیکی نانوسیال‌های غیرنیوتنی و انتقال حرارت شبیه‌سازی شده است. در این مطالعه، به‌صورت عددی جریان آرام جابجایی اجباری نانوسیال غیرنیوتنی حاوی 5/0% وزنی محلول کربوکسی‌متیل‌سلولز (CMC) در آب به‌عنوان سیال پایه با آلومینا در کسر حجمی 5/0 و 5/1 به‌عنوان نانو‌ذرات جامد، شبیه‌سازی شده است. روش حل عددی در سیستم مختصات دکارتی در یک میکرو‌کانال دوبعدی مدل‌سازی شده و محدوده‌ی اعداد رینولدز بین 10 تا 1000 متغییر بوده است. هندسه‌ی مورد تحلیل شامل بخشی از یک مستطیل می‌باشد که دیوارهای بالا و پایین آن تحت تاثیر دمای ثابت قرار گرفته‌اند. اثر کسر حجمی نانوذرات، عدد رینولدز و نانوسیال‌های غیرنیوتنی مورد بررسی قرار گرفته است. در این تحقیق مشخص شده است که تغییرات افت فشار، عدد ناسلت، ضریب انتقال حرارت و دمای بدون بعد، به دلیل حرکت نانوسیال‌های غیرنیوتنی ایجاد شده است. نتایج نشان می‌دهد که افزایش کسر حجمی نانوذرات جامد و کاهش قطر نانوذرات موجب بهبود انتقال حرارت می‌شود که این مسئله در عدد رینولدز نمود بیشتری دارد. نتایج پارامترهای معرفی شده به‌صورت نمودار رسم شده و برای پارامترهای مختلف مقایسه شده است.

7- نتیجه‌گیری
در این پژوهش، جریان آرام سیال آب/ CMC- آلومینا برای نانوذرات جامد (آلومینا) حاوی کسر حجمی 5/0% و 5/1% که به حالت معلق در محلول غیرنیوتنی شامل 5/0% غلظت CMC وجود دارد، بررسی شده است. در این تحقیق از فرآیند دینامیک سیال محاسباتی استفاده شده و رفتار حرارتی سیال آرام غیرنیوتنی در یک مستطیل دوبعدی با استفاده از یک شبکه منتظم و الگوریتم سیمپل C با بهره‌گیری از گسسته‌سازی درجه دوم مورد بررسی قرار گرفته است. به منظور تعیین ویسکوزیته‌ی دقیق سیال از مدل قانون توانی برای سیالات غیرنیوتنی استفاده شده است. نتایج نشان داده است که افزایش کسر حجمی نانوسیال جامد منجر به بیشتر شدن انتقال حرارت، سرعت، عدد ناسلت و افت فشار شده است. علاوه بر این، حضور نانوذرات جامد تاثیر زیادی بر افزایش اعداد ذکر شده از قبیل رینولدز دارد که می‌تواند منجر به افزایش مکانیزم انتقال حرارت میکرونی و ترکیب بهتر جریان نانوسیال در اعداد رینولدز باشد. استفاده از نانوذرات جامد با قطر کوچک‌تر، تاثیر خوبی بر افزایش انتقال حرارت، کاهش افت فشار و تغییر مقادیر دمای بدون‌بعد در سطح مقطع‌های مختلف میکروکانال داشته است. گسترش این مقاله برای نانوسیال‌ها با توجه به کارهای قبلی ما [47-62]، مهندسین را برای شبیه‌سازی جریان آشفته در این هندسه ترغیب می‌کند.

Abstract

In this investigation, the behavior of non-Newtonian nanofluid hydrodynamic and heat transfer are simulated. In this study, we numerically simulated a laminar forced non-Newtonian nanofluid flow containing a 0.5 wt% carboxy methyl cellulose (CMC) solutionin water as the base fluid with alumina at volume fractions of 0.5 and 1.5 as the solid nanoparticle. Numerical solution was modelled in Cartesian coordinate system in a two-dimensional microchannel in Reynolds number range of 10≤Re≤1000. The analyzed geometrical space here was a rectangular part of whose upper and bottom walls was influenced by a constant temperature. The effect of volume fraction of the nanoparticles, Reynolds number and non-Newtonian nanofluids was studied. In this research, the changes pressure drop, the Nusselt number, dimensionless temperature and heat transfer coefficient, caused by the motion of non-Newtonian nanofluids are described. The results indicated that the increase of the volume fraction of the solid nanoparticles and a reduction in the diameter of the nanoparticles would improve heat transfer which is more significant in Reynolds number. The results of the introduced parameters in the form of graphs drawing and for different parameters are compared.

7- Conclusion

The laminar flow of the fluid water/CMC-alumina for volume fractions of 0.5% and 1.5% of solid nanoparticle (alumina) suspended in a non-Newtonian dissolution made of 0.5% concentration of CMC was studied. In this research, calculative fluid dynamics and laminar heat transfer behavior of the non-Newtonian fluid in rectangular twodimensional using an organized mesh and Simple C algorithm and second order discretization were all studied. To determine a more accurate viscosity of the fluid, the power-law was used to draw the nonNewtonian fluid. The results indicated that an increase in volume fraction of the solid nanofluid lead to an upward trend in heat transfer, rate, Nusselt number and pressure loss. Furthermore, the presence of solid nanoparticle had a great impact on the increase of the abovementioned especially Reynolds number which can be a result of boosting micronic heat transfer mechanisms and a better combination of nanofluid flow in higher Reynolds number. The use of solid nanoparticles with a smaller diameter had a good effect on the increase in heat transfer, decrease in pressure loss, and economized variation of dimensionless temperature in different sections of the microchannel. The extension of this paper for nanofluids according our previous works [47–62] affords engineers a good option for turbulent jet impingement simulation.

تصویری از مقاله ترجمه و تایپ شده در نرم افزار ورد

تاثیر سرعت و ابعاد نانو ذرات جامد بر انتقال حرارت در نانوسیال غیر نیوتنی

The effect of velocity and dimension of solid nanoparticles on heat transfer in non-Newtonian nanofluid

بررسی عددی زمان ثابت پویایی خوشه حباب حل شده با استفاده از روش ضبط رابط از روش جریان چند فازی

Numerical investigation of the time-resolved bubble cluster dynamics by using the interface capturing method of multiphase flow approach

چکیده
مقدمه
1- رویکرد جریان چند مرحله ای
1-1 تابع کسر حجمی
1-2 مدل همگن یک سیال
2- مدل ریاضی و معادلات
2-1 معادلات حاکم بر شبیه سازی خوشه حباب
2-2 فرمول بندی و مدل دینامیک حباب
3- استراتژی عددی
3-1 گسسته سازی فضایی و زمانی
3-2 الگوریتم اتصال فشار-سرعت- چگالی
4- فروپاشی تک حباب جدا شده
5- خوشه حباب در شکل مسطح
6- خوشه حباب به شکل مکعب
7- نتیجه گیری

چکیده

این مقاله یک رویکرد جریان چند فازی برای اتخاذ دوره فروپاشی زمان ثابت خوشه های حباب در اشکال مختلف هندسی ارائه می دهد. این روش شبیه سازی برای اولین بار از طریق محاسبه رفتار پویایی یک حباب بخار ایزوله در یک فشار محیط یکنواخت بررسی شده است. مقایسه بین نتیجه عددی و راه حل تئوری نشان می دهد که این روش می تواند دقیقا شکل حباب را بگیرد، زمان مشخصه و فشار بسیار بالا نیز ناشی از فروپاشی است. سپس این روش شبیه سازی برای بررسی رفتار دو نوع خوشه حباب در اشکال هندسی شش ضلعی و مکعبی استفاده می شود. به طور کلی توالی فروپاشی پیش بینی شده و مشخصات شکل حباب ها با نتایج تجربی همخوانی دارند. حباب ها تغییر شکل پیدا کرده و از لایه بیرونی به سمت لایه های درونی شکسته می شوند. در هر لایه، ابتدا حباب های موجود در زوایا قبل از فروپاشی به شکل نخود درآمده و سوراخ می شوند، سپس حباب ها در دو طرف شروع به کوچک شدن می کنند. همچنین مشخص شده است که در مقایسه با مورد یک تک حباب ایزوله، حباب مرکزی درون خوشه همواره در مراحل اولیه آهسته تر منقبض می شود و در مرحله نهایی شدیدتر فرو می پاشند.

7- نتیجه گیری

این مطالعه یک رویکرد شبیه سازی جریان چند فازی بر اساس مدل حفره زایی همگن و روشهای عددی متناظر را برای ضبط فرایند فروپاشی زمان ثابت خوشه های حباب در اشکال هندسی مختلف اتخاذ کرده است. این روش شبیه سازی ابتدا از طریق محاسبه رفتار دینامیک یک حباب بخار ایزوله قرار گرفته در یک میدان فشار یکنواخت ثابت مورد بررسی قرار گرفته است. مقایسه بین نتیجه عددی و راه حل تئوری نشان می دهد که این روش می تواند یک ضبط دقیق برای فرایند فروپاشی، زمان مشخصه و فشار بسیار بالا ناشی از فروپاشی را ارائه دهد. روش شبیه سازی عددی سپس به منظور بررسی رفتار دو نوع خوشه حباب با اشکال هندسی شش ضلعی و مکعبی مورد استفاده قرار گرفته است. به طور کلی توالی فروپاشی پیش بینی شده و ویژگی های شکل حباب ها با نتایج تجربی مطابقت دارند. حباب ها تغییر شکل پیدا کرده و از لایه بیرونی به سمت لایه درونی می شکنند. در هر لایه، ابتدا حباب های موجود در زوایا قبل از فروپاشی به شکل یک نخود در آمده و سوراخ می شوند، سپس حباب های جانبی شروع به کوچک شدن می کنند. همچنین این نشان داده شده است که حباب مرکزی درون خوشه در مقایسه با مورد یک تک حباب جدا شده، همواره در مراحل اولیه آهسته تر منقبض شده و در مرحله نهایی به شدت فرو می پاشد.

Abstract

The present paper proposes a multiphase flow approach for capturing the time-resolved collapse course of bubble clusters in various geometrical configurations. The simulation method is first verified by computing the dynamic behavior of an isolated vapor bubble placed in a uniform ambient pressure. The comparison between the numerical result and the theoretical solution indicates that the method can accurately capture the bubble shape, the characteristic time and the extremely high pressure induced by the collapse. Then the simulation method is applied to investigate the behavior of two kinds of bubble clusters in hexagonal and cubic geometrical configurations. The predicted collapsing sequence and the shape characteristics of the bubbles are generally in agreement with the experimental results. The bubbles transform and break from the outer layer toward the inner layers. In each layer, the bubbles on the corner first change into a pea shape and cave before collapsing, then the bubbles on the sides begin to shrink. It is also found that, in comparison with the case of an isolated single bubble, the central bubble in the cluster always contracts more slowly at the early stage and collapses more violently at the final stage.

7- Conclusions

This study adopts a multiphase flow simulation approach based on the homogeneous cavitation model and its corresponding numerical methods to capture the time-resolved collapse process of the bubble clusters in various geometrical configurations. The simulation method is firstly verified by computing the dynamic behavior of an isolated vapor bubble placed in a stationary uniform pressure field. The comparison between the numerical result and the theoretical solution indicates that the method can provide an accurate capturing for the collapse process, the characteristic time and the extremely high pressure induced by the collapse. Then the numerical simulation method is applied to investigate the behavior of two kinds of bubble clusters in hexagonal and cubic geometrical configurations. The predicted collapsing sequence and the shape characteristics of the bubbles are generally in agreement with the experimental results. The bubbles transform and break from the outer layer toward the inner ones. In each layer, the bubbles on the corner first change into a pea shape and cave before collapsing, then the bubbles on the sides begin to shrink. It is also found that, in comparison with the case of an isolated single bubble, the central bubble in the cluster always contracts more slowly at the early stage and collapses more violently at the final stage.

تصویری از مقاله ترجمه و تایپ شده در نرم افزار ورد

بررسی عددی زمان ثابت پویایی خوشه حباب حل شده با استفاده از روش ضبط رابط از روش جریان چند فازی

Numerical investigation of the time-resolved bubble cluster dynamics by using the interface capturing method of multiphase flow approach

مطالعه موردی درباره آنالیز شکستگی استخوان با استفاده از XFEM

Cortical Bone Fracture Analysis Using XFEM – Case Study

چکیده

1) پیش زمینه

2) روش ها

2-1 مدل های استخوان متراکم

2-2 تحلیل المان محدود – پیش پردازش

2-3 پیش زمینه های نظری

3) نتایج و مباحث

4) جمع بندی

چکیده

هدف ما در این قسمت به دست آوردن یک شبیه سازی صحیح از شکستگی استخوان متراکم در انسان با استفاده از مدل المان محدود توسعه یافته در یک نرم افزار تجاری المان محدود با نام Abaqus می باشد. یک مدل سلول واحد دو بعدی از استخوان متراکم بر اساس تصویر های میکروسکوپی از قسمت میانه ی دیافیز در درشت نی یک استخوان که از بدن مرد 70 ساله به دست آمده است، ایجاد می شود. در هر فاز از این مدل، یک استخوان میان نهاده، یک خط سیمان استخوانی و یک قسمت بافت استخوانی ( استئون) را دارد که به صورت الاستیک خطی و همسانگرد در نظر گرفته شده اند و ویژگی های مواد آن ها با استفاده از شناسایی نانو به دست آمده است که مقادیر آن در مقالات دیگر ارائه شده است.
تاثیر استفاده از روش های تحلیل شکستگی ( روش تحلیل بخش های به هم پیوسته در مقایسه با روش های تحلیل شکستگی مکانیک الاستیک خطی)، نوع المان محدود و شرایط مرزی ( ردگیری، جابجایی و مختلط) بر روی شروع ترک در استخوان های متراکم در این مطالعه بررسی شده است. در این مطالعه ارزیابی آسیب در بخش های به هم پیوسته برای ردگیری قانون تفکیک مبتنی بر انرژی و جابجایی مورد استفاده قرار گرفته است. به علاوه، تاثیرات افزایش سایز و تراکم مش بر روی نتایج تحلیل نیز بررسی شده است.
ما نشان می دهیم که روش های بخش های پیوسته و مکانیک شکستگی الاستیک خطی در روش المان محدود توسعه یافته به صورت موثر می توانند شکستگی های موجود در استخوان متراکم را نشان دهند. تراکم مش و افزایش سایز شبیه سازی ها می تواند بر روی نتایج تحلیل در استفاده از هر کدام از روش ها تاثیر داشته باشد و استفاده از یک مش درشت تر و یا افزایش کمتر در سایز همیشه نتایج صحیح تری را ایجاد نمی کند. هر دوی این روش ها نتایج نزدیک به هم اما متفاوت را ارائه می دهند و سرعت نشر ترک وقتی که ما از روش بخش های به هم پیوسته استفاده می کنیم، کند تر می باشد. همچنین، با استفاده از المان های ادغام کاهش یافته در راستای روش بخش های به هم پیوسته، موجب کاهش سرعت نشر ترک در مقایسه با استفاده از المان های کاملا یکپارچه می شود.

4- جمع بندی

این مطالعه رهنمود هایی در رابطه با شبیه سازی های شکستگی الاستیک استخوان های متراکم به صورت دو بعدی را با استفاده از نرم افزار Abaqus و روش المان محدود توسعه یافته را با در نظر گرفتن روش بخش بندی پیوسته و روش مکانیک شکستگی الاستیک خطی، ارائه می کند. همچنین، تراکم مش، نوع المان ها، سایز افزایش و بار گذاری های کشش در مقایسه با جابجایی ( با استفاده از شرایط مرزی جابجایی، کشش و حالت مختلط) و تاثیر آن بر روی صحت نتایج تحلیل شکستگی استخوان متراکم نیز در نظر گرفته شده است.

Abstract

We aim to achieve an accurate simulation of human cortical bone fracture using the extended finite element method within a commercial finite element software Abaqus. A two-dimensional unit cell model of cortical bone is built based on a microscopy image of the mid-diaphysis of tibia of a 70 year-old human male donor. Each phase of this model, an interstitial bone, a cement line, and an osteon, are considered linear elastic and isotropic with material properties obtained by nanoindentation, taken from literature.
The effect of using fracture analysis methods (cohesive segment approach versus linear elastic fracture mechanics approach), finite element type, and boundary conditions (traction, displacement, and mixed) on cortical bone crack initiation and propagation are studied. In this study cohesive segment damage evolution for a traction separation law based on energy and displacement is used. In addition, effects of the increment size and mesh density on analysis results are investigated.
We find that both cohesive segment and linear elastic fracture mechanics approaches within the extended finite element method can effectively simulate cortical bone fracture. Mesh density and simulation increment size can influence analysis results when employing either approach, and using finer mesh and/or smaller increment size does not always provide more accurate results. Both approaches provide close but not identical results, and crack propagation speed is found to be slower when using the cohesive segment approach. Also, using reduced integration elements along with the cohesive segment approach decreases crack propagation speed compared to using full integration elements.

4- Conclusions

This study provides guidance on two-dimensional cortical bone elastic fracture simulations using the Abaqus software and the extended finite element method by considering the cohesive segment approach and the linear elastic fracture mechanics approach. Also, the mesh density, element type, increment size, and traction versus displacement loadings (using displacement, traction, and mixed boundary conditions) effects on cortical bone fracture analysis results accuracy were investigated.

تصویری از مقاله ترجمه و تایپ شده در نرم افزار ورد

مطالعه موردی درباره آنالیز شکستگی استخوان با استفاده از XFEM

Cortical Bone Fracture Analysis Using XFEM – Case Study

شبیه سازی عددی در فرآیند استقرار و بازیابی برای یک گره از شبکه حسگر بی سیم زیر آب

Numerical Simulation on the Deploying and Recovering Process for a node of Underwater Wireless Sensor Network

چکیده
1- مقدمه
2- ساختار گره UWSN
3- شبیه سازی عددی
4- نتایج و بررسی ها

چکیده

یک شبکه حسگر بی سیم زیر آب (UWSN), چند وظیفه را در پیمایش اقیانوسی بر عهده دارد. یک نوع از UWSN توسط دانشگاه Zhejiang پیشنهاد شده است. در این مقاله, روش CFD به منظور بررسی توانایی یک گره در تنظیم وضعیت خود در فرآیند استقرار و بهبود استفاده شده است. حداقل عمق و حداقل زمان برای یک گره در تنظیم خود به صورت عمودی در زوایای اریب اولیه مختلف و سرعت های جریان اقیانوسی مختلف به دست آمد. زوایای اریب اولیه مختلف به صورت 45 درجه، 60 درجه و 90 درجه انتخاب شدند. سرعت های جریان اقیانوسی مختلف به صورت 0.5 متر بر ثانیه و 1 متر بر ثانیه با توجه به شرایط واقعی دریا در اطراف جزیره Zhoushan انتخاب شدند. ارتفاع خیزش حداقل و حداقل زمان برای کابین قابل بازیابی (بیرون کشیدن) به منظور چرخش 180 درجه در آب ساکن به دست آمد. هدف از چرخش کابین قابل بازیابی به اندازه 180 درجه، راست نگهداشتن آنتن بر روی سطح اقیانوس است. به همین دلیل آنتن در پایین کابین قابل بازیابی نصب شد. این نتایج نشان می دهند که طراحی گره UWSN برای این طرح گره به منظور استقرار و بازیابی, قابل اعتماد است.
1- مقدمه
شبکه حسگر بی سیم زیر آب (UWSN) در سناریوهای مختلف از جمله حفظ اکوسیستم اقیانوسی، اکتشاف نفت، نظارت بر کیفیت آب شیرین و دیگر موارد [1] مورد استفاده قرار گرفته است. شبکه حسگر بی سیم زیر آب شامل چند گره UWSN با بسیاری از وظایف از جمله جمع آوری داده ها، حفظ داده ها و ارتباطات اکوستیک می شود. برای هر گره UWSN، این شبکه باید قبل از کار در زیر آب مستقر شود و پس از تکمیل ماموریت خود بیرون آورده شود. دانشگاه پنسیلوانیا, یک نوع گره UWSN را طراحی نمود و امکان سنجی آن را با آزمایش [2] تأیید نمود. اما هیچ تضمینی برای استقرار پایدار این گره روی بستر درای و هیچ طرحی برای بازیابی وجود ندارد. دانشگاه Buffalo یک نوع گره UWSN را پیشنهاد نمود که با یک توپ [3] شناور پیوند می خورد. این گره از ساختار و توزیع جرم خود برای فرآیند استقرار آسان و با ثبات استفاده می کند. این فرآیند بازیابی توسط یک جداکننده الکترومغناطیسی تحریک می شود. با این حال، هیچ ارزیابی خاصی برای فرآیند استقرار و بازیابی وجود ندارد. این محصول تجاری SM-75 [4] از شرکت Teledyne Benthos, از مقداری وزن برای تثبیت یک گره از UWSN در بستر دریا استفاده نمود و این گره دارای شناوری مثبت است. پس از به پایان رسیدن ماموریت خود، این گره از وزن جدا شد و به سطح اقیانوس آمد. این محصول توسط دانشگاه تایوان برای انجام تحقیقات علمی در صدها متر زیر آب مورد استفاده گرفته است. در استفاده واقعی، SM-75 دارای کارایی بالاست [5]. با این حال، این طرح دارای برخی از اشکالاتی در مورد تثبیت گره است. هنگامی که سرعت فعلی اقیانوس زیاد می شود، فاصله بین گره و وزن که برای تثبیت گره استفاده شده است با زمان تغییر می کند. سپس اثر داپلر ظاهر می شود و ثبات ارتباطات آکوستیک زیر آب تحت تاثیر قرار می گیرد. در چین، دانشگاه Northwestern Polytechnical, یک نوع از UWSN را طراحی نمود. این UWSN دارای ساختار جمع و جور و مصرف انرژی پایین تر است [6].
4- نتایج و بررسی ها
شبیه سازی CFD به منظور بررسی توانایی تنظیم موقعیت یک گره در فرآیند استقرار و بازیابی پیاده سازی شده است.
با وجود زوایای تمایل اولیه مختلف برای فرایند استقرار، حداقل عمق مورد 20 متر و حداقل زمان حدود 7 ثانیه برای یک گره به منظور تنظیم خود به صورت عمودی به دست می آید. جریان اقیانوس دارای تاثیر کمی بر روند استقرار است. شکل 3 و شکل 4 زمان تنظیم گره به صورت عمودی در زوایای تمایل اولیه مختلف را نشان می دهد که برابر با 45 درجه، 60 درجه و 90 درجه هستند. می توان نتیجه گرفت که زوایای کنونی و تمایل اولیه تقریباً هیچ تاثیری بر زمان تنظیم گره به صورت عمودی ندارند. این بدان معنیست که با وجود جریان اقیانوس و زاویه تمایل اولیه, گره به حدود 7 ثانیه زمان برای تنظیم به صورت عمودی نیاز دارد. بنابراین، از شکل 5 تا شکل 7، می توانیم نتیجه بگیریم که جریان دارای تاثیر بر فرآیند تنظیم است.

Abstract

An underwater wireless sensor network (UWSN) has multiple functions in ocean survey. A kind of UWSN has been proposed by Zhejiang University. In this paper the CFD method is utilized to verify the ability of a node to adjust its posture in deploying and recovering process. The minimum depth and the minimum time for a node to adjust itself to vertical were obtained in different initial inclined angles and different ocean current velocities. The different initial inclined angles were chosen as 45 degree, 60 degree and 90 degree. The different ocean current velocities were chosen as 0.5m/s and 1m/s according to the actual sea conditions around the Zhoushan Island. The minimum rising height and the minimum time for the retrievable cabin to turn 180 degree were obtained in still water. The purpose of the retrievable cabin to turn 180 degree is to keep antenna upright on the ocean surface. Because the antenna was installed on the bottom of the retrievable cabin. These results show that the design of the UWSN node is reliable as to the scheme of the node to deployment and recovery.

I- INTRODUCTION

The underwater wireless sensor network (UWSN) has been utilized in various scenarios including oceanic ecosystem preservation, petroleum exploration, fresh water quality monitoring, and others [1]. The underwater wireless sensor network consists of several UWSN nodes with many functions including data collecting, data memorizing, and acoustical communication. For each UWSN node, it has to be deployed before working underwater and recovered after completing its mission. University of Pennsylvania designed a kind of UWSN node and verified its feasibility by experiment [2]. But there are no guarantees for this node to be deployed stably on the seabed and no scheme to retrieve. University of Buffalo proposed a sort of UWSN node which is linked with a floating ball [3]. This node takes advantage of itself structure and mass distribution to make the deployment process easy and stable. The retrieve process is triggered by an electromagnetic detacher. However, there is no assessment for the deployment and retrieve process. The commercial product SM-75 [4] of Teledyne Benthos company used some weight to fix a node of UWSN on seabed and the node has positive buoyancy. After its mission has been finished, the node would detach from the weight and come up to ocean surface. This product has been used by Taiwan University to perform scientific research under hundreds meters of water. In actual use, SM-75 has a high performance [5]. However, this design has some drawbacks on fixing a node. When ocean current velocity becomes large, the distance between the node and weight which is used to fix the node would change with time. Then Doppler Effect would appear and the stability of underwater acoustic communication would be affected. In China, Northwestern Polytechnical University designed a kind of UWSN. It has a compact structure and lower energy consumption [6].

IV- RESULTS AND DISCUSSIONS

CFD simulations have been implemented to verify the ability that a node adjusts its posture in deploying and recovering process. The following figures show these results.

For the deployment process, the minimum depth about 20m and the minimum time about 7 seconds for a node to adjust itself to vertical are obtained despite of the different initial inclined angles. The ocean current has little influence on the deployment process. Figure 3 and Figure 4 show the time of the node to adjust itself to vertical in different initial inclined angles which are 45 degree, 60 degree and 90 degree. We can conclude that the current and the initial inclined angles almost have no influence on the time that the node would adjust itself to vertical. It means that the node needs about 7 seconds to adjust itself to vertical despite of the ocean current and initial inclined angles. Then, from Figure 5 to Figure 7, we can conclude that current has an influence on the process of adjustment..

مطالعه عددی در مورد تنش های حرارتی از یک سلول سوختی اکسید جامد مسطح

Numerical study on thermal stresses of a planar solid oxide fuel cell

چکیده
1- مقدمه
2 – مدل ریاضی
2-1 – مدل هندسی
2-2 مدل الکتروشیمیایی
2-3- مدل سیال-حرارتی
2-4- مدل تنش حرارتی
3- نتایج و بررسی
3-1- تجزیه و تحلیل سیال-حرارتی
3-2- محاسبه تنش حرارتی
4- نتایج

چکیده

مدل المان محدود سه بعدی (3D) متشکل از الکترود منفی-الکترولیت-الکترود مثبت (PEN) و مونتاژ اتصال فلزی (MIC) با استفاده از نرم افزار تجاری المان محدود ABAQUS ساخته می شود. با مشخصات دمایی شبیه سازی شده در سلول سوختی اکسید جامد مسطح (SOFC) ، روش المان محدود، برای محاسبه توزیع تنش حرارتی در SOFC مسطح استفاده می شود. اثرات مشخصات دمایی، الکترودها و ضخامت الکترولیت و ضرایب عدم تطابق انبساط حرارتی (CTE) بین مولفه ها مشخص می شوند. مقدار و توزیع تنش حرارتی، تابعی از مواد اعمال شده CTE، مشخصات درجه حرارت اعمال شده و ضخامت آند و الکترولیت می باشد. نتایج محاسبه شده را می توان به عنوان راهنمایی برای انتخاب مواد SOFC و طراحی ساختار SOFC استفاده نمود. آند تحت تنش های کششی زیادی قرار می گیرد و در مدت اولین خنک کنندگی از دمای پخت، الکترولیت تحت تنش فشاری بزرگی قرار می گیرد. کاهش شیمیایی NIO به نیکل در آند متخلخل، تا 20 ٪ باعث کاهش سطح تنش مطلق در ساختار PEN می شود. تنش های کششی زیادی در آند و تنش های فشاری بزرگ در الکترولیت، زمانی که که SOFC در درجه حرارت بالا عمل می کند، تا حدی آرام می شود. زمانی که ساختار PEN پس از پخت در حال خنک شدن در دمای اتاق است، ترک ها احتمالا می تواند در ساختار آند ظاهر شوند.

1- مقدمه
سلول های سوخت، کارآمد ترین دستگاه برای تبدیل الکتروشیمیایی انرژی شیمیایی هیدروژن به برق هستند و توجه فزاینده ای را در سال های اخیر برای سازگاری با محیط زیست بدون انتشار سمی یا انتشار سمی کم و تولید برق توزیع شده کارآمد به خود معطوف کرده اند. در سلول های سوختی موجود، سلول سوختی اکسید جامد (SOFC) با هندسه یکپارچه، مسطح و لوله ای به عنوان یک سلول سوختی با دمای بالا، باعث عملکرد خوبی در تولید انرژی می شود و همچنان به عنوان یک منبع انرژی آینده، نویدبخش است. در طرح های پشته SOFC ، به تازگی طراحی نوع مسطح جلب توجه کرده است، به دلیل اینکه ساخت ساده تر نسبت به اشکال مختلف از طرح های نوع دیگر دارد. علاوه بر این، SOFC نوع مسطح، به دلیل مقاومت الکتریکی پایین به عنوان یک نتیجه از مسیر جریان کوتاه تر، چگالی انرژی بالاتری را نسبت به نوع SOFC لوله ای ارائه می دهد. درجه حرارت معمولی از یک سلول سوختی اکسید جامد 600 تا 1000 درجه است که منجر به تنش های شدید حرارتی و تاب برداشتن بر روی ساختارهای الکترود منفی-الکترولیت- الکترود مثبت ( PEN ) از SOFCs می شود که ناشی از عدم تطابق ضرایب انبساط حرارتی (CTE) از لایه های مختلف در ساختار PEN از SOFCs با توجه به تغییرات دما در طول فرآیند تولید PEN و چرخه حرارتی است. و اینها ممکن است به ترک و نابود شدن ساختار SOFC منجر شود.
4- نتایج
مدل الکتروشیمیایی قطبش کامل سه بعدی و مدل المان محدود تنش حرارتی سه بعدی برای SOFC مسطح در این مقاله استفاده شده است. واکنش اصلاح داخلی و واکنش جابجایی آب-گاز در شبیه سازی ها برای جریان همزمان و ضد جریان در نظر گرفته می شود. با مشخصات دمایی شبیه سازی شده در SOFC مسطح، تجزیه و تحلیل المان محدود برای محاسبه توزیع تنش حرارتی در SOFC مسطح به کار گرفته شده است. اثرات دما، آند و ضخامت الکترولیت و ضریب عدم تطابق انبساط حرارتی بین مولفه ها مشخص و مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفته است.
نتایج شبیه سازی سیال-حرارتی نشان داد که گرادیان دما در نزدیکی ورودی سوخت برای الگوی ضد جریان بسیار بزرگتر از الگوی جریان همزمان است. تنش حرارتی به طور عمده از عدم تطابق CTE بین مواد مختلف نشات می گیرد. آند تحت تنش کششی زیادی قرار می گیرد و الکترولیت در مدت اولین خنک کنندگی از دمای پخت تحت تنش فشاری بزرگی قرار می گیرد. زمانی که ساختار PEN به دمای اتاق پس از پخت سرد می شود، ترک ها احتمالا می تواند در ساختار آند ظاهر شود. کاهش شیمیایی از NIO به نیکل در آند متخلخل باعث کاهش سطح تنش مطلق در ساختار PEN به اندازه 20 درصد می شود در حالی که در زمان میانگین، این استحکام آند پایین تر نیز می آید. هنگامی که SOFC در دمای بالاتر کار می کند، تنش های کششی در آند و تنش های فشاری در الکترولیت تا حدودی آرام می شود.

Abstract

A three-dimensional (3D) finite element model consists of positive electrode–electrolyte–negative electrode (PEN) and metallic interconnect (MIC) assembly is constructed by using commercial finite element software Abaqus. With the simulated temperature profile in the planar solid oxide fuel cell (SOFC), the finite element method is employed to calculate the thermal stress distribution in a planar SOFC. The effects of temperature profile, electrodes and electrolyte thickness, and coefficients of thermal expansion (CTEs) mismatch between components are characterized. The value and distribution of thermal stress are the functions of the applied materials CTEs, applied temperature profiles and thickness of anode and electrolyte. The calculated results can be applied as the guide for SOFC materials selection and SOFC structure design. The anode is subjected to large tensile stresses and the electrolyte is subjected to large compressive stresses during the first cooling from the sintering temperature. The chemical reduction of NiO to Ni in the porous anode lowers the absolute stress level in the PEN structure by 20%. The large tensile stresses in the anode and the large compressive stresses in the electrolyte relax partly when the SOFC operates at high temperature. Cracks could probably appear in the anode structure when the PEN structure is cooling to room temperature after the sintering.

1- Introduction

Fuel cells are the most efficient devices for the electrochemical conversion of chemical energy of hydrogen into electricity, and have been gaining increasing attention in recent years for environmentally friendly with little or no toxic emission and efficient distributed power generation. In the existing fuel cells, the solid oxide fuel cell (SOFC) with monolithic, planar and tubular geometries, as a high temperature fuel cell, makes a good performance in power generation and continues to show great promise as a future power source. In SOFC stack designs, the planar type design has received much attention recently, because it is simpler to fabricate and easier to be made into various shapes than the other type designs. Besides, the planar type SOFC offers higher power density relative to the tubular type SOFC due to the low electrical resistance as a result of the shorter current paths. A typical operating temperature of a solid oxide fuel cell is 600
Ce1000
C, which leads to severe thermal stresses and warpage on the positive electrodee electrolyteenegative electrode (PEN) structures of SOFCs caused by the mismatch of the coefficients of thermal expansion (CTEs) of various layers in the PEN structures of SOFCs due to the temperature changes during the PEN manufacturing process and thermal cycling. And these may lead to cracks and destroy the SOFC structure.

4- Conclusions

A 3D complete polarization electrochemical model and a thermal stress finite-element model for a planar SOFC are employed in this paper. The internal reforming reaction and water-gas shift reaction are taken into account in the simulations for both co-flow and counter-flow. With the simulated temperature profile in the planar SOFC, the finite-element analysis is employed to calculate the thermal stress distribution in the planar SOFC. The effects of temperature profile, anode and electrolyte thicknesses and coefficients of thermal expansion mismatch between components are characterized and analyzed.

The thermo-fluid simulation results indicated that the temperature gradient near the fuel inlet for counter-flow pattern is much larger than that of co-flow pattern. The thermal stress is mainly contributed by the reason of CTE mismatches between different materials. The anode is subjected to large tensile stress and the electrolyte is subjected to large compressive stresses during the first cooling from the sintering temperature. The cracks could probably appear in the anode structure when the PEN structure is cooled to room temperature after the sintering. The chemical reduction of NiO to Ni in the porous anode lowers the absolute stress level in the PEN structure by 20% while in the mean time the strength of the anode becomes lower too. When the SOFC works at a high temperature, the tensile stresses in the anode and the compressive stresses in the electrolyte relax partly.

شبیه سازی عددی جریان ناپایدار در اطراف پرواز پیشرو هلیکوپتر با روتورهای هم محور

Numerical Simulation of Unsteady Flow Around Forward Flight Helicopter with Coaxial Rotors

چکیده
1- مقدمه
2- ایجاد شبکه واژگون بدون ساختار
3- روش عددی
3-1- معادله حاکم
3-2- پله زمانی
4- نتایج و بحث
4-1- شبیه سازی روتورهای هم محور در پرواز ثابت در سطح زمين
4-2- شبیه سازی پرواز هلیکوپتر به جلو با روتوهای هم محور
5- نتیجه گیری

چکیده

معادلات سه بعدی اویلر ناپایدار به طور عددی برای شبیه سازی جریان های در اطراف ناپایدار هلیکوپتر در پرواز به جلو با روتورهای هم محور بر اساس شبکه های بدون ساختار واژگون پویا حل می شوند. عملکرد دو روتورهای هم محور هر دو بدتر می شود به خاطر تعامل آیرودینامیک مربوط بین آنها ، و تاثیر روتور بالایی بر روی روتور پایین بیشتر از روتور پایینی بر روی روتور بالایی است. سرعت فشار باد به سمت پايين در سطح روتور پایینی بسیار بزرگتر از آن در سطح بالای روتور، و سرعت فشار باد به سمت پايين در سطح بالای روتور کمی بزرگتر از آن در سطح روتور منفرد است. سرعت فشار باد به سمت پايين و ضریب محوری هر دو بزرگتر می شوند وقتی زاویه پره ها اضافه می گردد. هنگامی که فاصله بین دو روتورهای هم محور افزایش می یابد، ضریب محوری روتور بالایی افزایش می یابد، اما ضریب محوری در کل کمی کاهش می یابد، چرا که کاهش ضریب محوری روتور پایینی بزرگتر از افزایش ضریب محوری روتور بالایی است.
1- مقدمه
پیکربندی هم محور روتورها یکی از راه حل های تکنولوژیکی برای افزایش توانایی حمل بار هلیکوپتر است. از آنجا که دو روتور نیروی شبکه را به جای روتور واحد در طرح مرسوم تولید می کنند، قطر روتورها می تواند برای حمل همان مقدار وزن کاهش یابد. جذاب ترین قابلیت طراحی هم محور فشردگی حاصل و ایمنی خودرو می باشد. ثانیا، گشتاورهای پیچشی معکوس تولید شده توسط دو روتور با توجه به جهت مخالف چرخش لغو خواهد شد و روتور دم و پايه اى که سطوح دم را تحمل ميکند می تواند حذف شود، که منجر به یک وسیله نقلیه کوچک تر و سبک تر می شود.
5- نتیجه گیری
در مقاله حاضر ، جریان در اطراف هلیکوپتر با پرواز رو به جلو با روتورهای هم محور و منفرد با حل معادلات سه بعدی اویلر ناپایدار بر اساس شبکه های بدون ساختار واژگون پویا شبیه سازی شده است ، و برخی از نتایج به دست آمده به شرح زیر است.
(1) در مقایسه با بالگرد با روتور منفرد، رانش هر دو روتورهای هم محور کوچکتر است، به خصوص رانش روتور پایینی بسیار کوچکتر است ، که نشان می دهد که تعامل بین روتورهای هم محور منجر به کاهش عملکرد روتورهای هم محور ، به خصوص روتور پایینی می شود.
(2) تعامل بین روتورهای هم محور باعث می شود سرعت فشار باد به سمت پايين در سطح روترو پایینی بسیار بزرگتر از سطح روتور منفرد، و سرعت فشار باد به سمت پايين در سطح روتور بالایی کمی بزرگتر از آن در سطح روتور منفرد باشد.
(3) جریان گردابه با فشار به سمت بالا در بالای بدنه در هر دو مدل هلی کوپتر وجود دارد ، و قدرت هلیکوپتر با روتور هم محور ضعیف تر از آن از هلی کوپتر های با روتور منفرد است.
(4) سرعت فشار باد به سمت پايين و ضریب رانش افزایش می یابد هنگامی که زاویه جمعی تیغه بزرگتر می شود.
(5) هنگامی که فاصله روتور افزایش می یابد، ضریب رانش برای روتور بالایی افزایش و برای روتور پایینی کاهش می یابد، و رانش کلی کمی کاهش می یابد.
نشان داده شد که روش حاضر از شبکه های بدون ساختار واژگون پویا کارآمد و قوی برای شبیه سازی جریان ناپایدار در اطراف بالگرد با روتور هم محور است، و فهم جدیدی از سیستم هم محور روتور و روتور / بدنه تعاملات در آینده برای کشف مشکلات آیرودینامیک از سیستم روتور هم محور مورد مطالعه قرار خواهد گرفت.

Abstract

Three-dimensional unsteady Euler equations are numerically solved to simulate the unsteady flows around forward flight helicopter with coaxial rotors based on unstructured dynamic overset grids. The performances of the two coaxial rotors both become worse because of the aerodynamic interaction between them, and the influence of the top rotor on the bottom rotor is greater than that of the bottom rotor on the top rotor. The downwash velocity at the bottom rotor plane is much larger than that at the top rotor plane, and the downwash velocity at the top rotor plane is a little larger than that at an individual rotor plane. The downwash velocity and thrust coefficient both become larger when the collective angle of blades is added. When the spacing between the two coaxial rotors increases, the thrust coefficient of the top rotor increases, but the total thrust coefficient reduces a little, because the decrease of the bottom rotor thrust coefficient is larger than the increase of the top rotor thrust coefficient.

1- Introduction

Coaxial rotors configuration is one of the technological solutions for increasing helicopter load-carrying ability. Since two rotors produce the net thrust instead of a single rotor in the conventional design, the diameter of the rotors can be reduced to carry the same amount of weight. The most attractive feature of a coaxial design is the resulting compactness and safety of the vehicle. Secondly, the converse torsional moments generated by the two rotors would be canceled due to the opposite rotational directions, and the tail rotor and tail boom can be eliminated, resulting in a smaller and lighter vehicle.

5- Conclusions

In the present article, the forward flight flows around the coaxial and individual rotor helicopters have been simulated by solving the three-dimensional unsteady Euler equations based on the unstructured dynamic overset grids, and some conclusions are obtained as follows.

(1) Compared to the individual rotor helicopter, the thrusts of both coaxial rotors are smaller; especially the thrust of bottom rotor is much smaller, which demonstrates that the interaction between the coaxial rotors leads to decreasing the performance of the coaxial rotors, especially the bottom rotor.

(2) The interaction between the coaxial rotors makes the downwash velocity at the bottom rotor plane much larger than that at the individual rotor plane, and the downwash velocity at the top rotor plane is a little larger than that at the individual rotor plane.

(3) There are upwash vortex flows on the top of the fuselages of both helicopter models, and the strength of the coaxial rotor helicopter is weaker than that of the individual rotor helicopter.

(4) The downwash velocity and thrust coefficient both increase when the collective angle of blade becomes larger. (5) When the rotor spacing increases, the thrust coefficients will increase for the top rotor and decrease for the bottom rotor, and the total thrust reduces a little.

It is demonstrated that the present method of unstructured dynamic overset grids is efficient and robust for simulating unsteady flows around helicopter with coaxial rotors, and new understandings of coaxial rotor systems and rotor/fuselage interactions will be studied in the future to uncover more aerodynamic problems of coaxial rotor systems..

شبیه سازی عددی پرتابه قابل تنظیم نفوذ در بتن و هدف قراردادن خاک

Numerical simulation of flat-nose projectile penetrating concrete and soil target

چکیده
1- مقدمه
2- توصیف مسئله
3- شبیه سازی عددی
3-1- مدل محاسباتی
3-2- پارامترها (مولفه های مدل)
4- نتایج شبیه سازی و تجزیه و تحلیل
4-1- تجزیه و تحلیل عمل پرتابه و هدف
4-2- تجزیه و تحلیل شکست هدف
4-3- عملکرد نفوذ با نخستین پرتابه متفاوت
5 -نتیجه گیری

چکیده

نفوذ به هدفهای متشکل از لایه بتنی و خاک فونداسیون نیمه نامتناهی با پرتابه قابل تنظیم توسط نرم افزار عامل محدود LS-Dyna سه بعدی، شبیه سازی شده است. فرایند تغییر شکل و منطقه شکست در هدف توضیح داده شده است. عملکرد نفوذ پرتابه با دماغه قابل تنظیم مورد بحث قرار گرفت. عمق نفوذ ، سرعت بقایا و دامنه کاهش سرعت پرتابه با سرعت اولیه پرتابه افزایش می یابد. و ترکهای نافذ و ناحیه فشرده خردشدگی نشاندهنده صدمه به هدف می باشند. پدیده آسیب دیدگی بتن با نتایج آزمایشی سازگاری دارد.

5- نتیجه گیری

با تجزیه و تحلیل پرتابه که بطور نرمال از طریق شبیه سازی عددی در هدف نفوذ می کند، برخی از نتایج زیر بدست می آید: (1) نتایج عددی نشان می دهند که شکل کلاهک پرتابه دارای تاثیر خاصی بر فرایند نفوذ است. پرتابه قابل تنظیم در اولین بار دارای ضربه شدیدی بر هدف در قالب حلقه برشی می باشد. سرعت ضربه با کل تماس کلاهک پرتابه و هدف کاهش پیدا می کند و قابلیت نفوذ نهایی، قابل توجه نیست. (2) در موقعیتهای عددی این مقاله، تغییر شکل پرتابه کوچک است که تاییدی برای قابلیت اطمینان قدرت آن می باشد. زمانیکه هدف از لایه بتنی و خاک فونداسیون نیمه نامتناهی تشکیل شده باشد، ضربه اساسا موجب صدمه به لایه بالایی بتن می شود. ناحیه آسیب دیده در بتن هدف، شامل ناحیه خردشدگی فشاری در مرکز سطح بالایی و ناحیه خردشدگی کششی در مرکز انتهای سطح در لایه بتنی و ناحیه ترک خوردگی در مجاورت ناحیه خردشدگی می باشد. (3) عمق نفوذ با سرعت ضربه افزایش پیدا می کند. عمق نفوذ پرتابه و ترکهای نفوذی و ناحیه خردشدگی کششی ، ناحیه صدمه دیده هدف را در بر می گیرد. نقطه عطف در مرحله شروع منحنی عمق نفوذ در برابر زمان نشاندهنده حلقه برشی است که به هدف نفوذ می کند.

Abstract

The penetration into targets composed of concrete layer and semi-infinite foundation soil with flat-nose projectile is simulated with three-dimensional LS-Dyna finite element software. The deformation process and failure zone in the target are described. The penetration performance of projectile with flat nose is discussed. The penetration depth, the residual velocity and the deceleration amplitude of projectile increase with the initial velocity of projectile. And the penetrating cracks and the tensile crush zone indicate the damage of the target. The phenomena of concrete damage are in agreement with the experimental results.

5- Conclusions

By analysis of the projectile normally penetrating into target through numerical simulation, some conclusions are drawn as follows: (1) Numeric result shows that the shape of the projectile’s warhead has a certain effect on the penetration process. The flat-nose projectile has a strong impact on the target on the initial time in terms of the cutting ring. The impact velocity decreases with the entire contact of the projectile’s warhead and target and the ultimate penetration capability is not prominent. (2) In the numerical conditions of this paper, the deformation of the projectile is small which verifies its reliability of strength. When the target is composed of concrete layer and semi-infinite foundation soil, the impact mainly causes the damage of concrete in the upper layer. The damage zone of the concrete target includes the compressive crush zone in the center of the upper surface and the tensile crush zone in the center of the bottom surface in the concrete layer and the crack zone adjacent to the crush zone. (3) The penetration depth increases with the impact velocity. The penetration depth of the projectile and the penetrating cracks and the tensile crush zone embody the damage of the target. The turning point in the beginning stage of the time-penetration depth curve indicates the cutting ring penetrates into target.

تصویری از مقاله ترجمه و تایپ شده در نرم افزار ورد

شبیه سازی عددی پرتابه قابل تنظیم نفوذ در بتن و هدف قراردادن خاک

Numerical simulation of flat-nose projectile penetrating concrete and soil target

اپراتور جبر خطی برای اجرای الگوریتم های عددی پردازنده های مرکزی (GPU)

Linear Algebra Operators for GPU Implementation of Numerical Algorithms

• برای دانلود رایگان مقاله انگلیسی با فرمت pdf بر روی عنوان انگلیسی مقاله کلیک نمایید.
• برای خرید و دانلود ترجمه فارسی آماده با فرمت ورد، روی عنوان فارسی مقاله کلیک کنید.

تصویری از مقاله ترجمه و تایپ شده در نرم افزار ورد

اپراتور جبر خطی برای اجرای الگوریتم های عددی پردازنده های مرکزی (GPU)

Linear Algebra Operators for GPU Implementation of Numerical Algorithms

• برای دانلود رایگان مقاله انگلیسی با فرمت pdf بر روی عنوان انگلیسی مقاله کلیک نمایید.
• برای خرید و دانلود ترجمه فارسی آماده با فرمت ورد، روی عنوان فارسی مقاله کلیک کنید.

شبیه سازی عددی شکست دینامیک سدهای هسته سنگی ( راکفیل) با رویه بتنی

Dynamic failure numeric simulations of model concrete-faced rock-fill dam

• برای دانلود رایگان مقاله انگلیسی با فرمت pdf بر روی عنوان انگلیسی مقاله کلیک نمایید.
• برای خرید و دانلود ترجمه فارسی آماده با فرمت ورد، روی عنوان فارسی مقاله کلیک کنید.

تصویری از مقاله ترجمه و تایپ شده در نرم افزار ورد

شبیه سازی عددی شکست دینامیک سدهای هسته سنگی ( راکفیل) با رویه بتنی

Dynamic failure numeric simulations of model concrete-faced rock-fill dam

• برای دانلود رایگان مقاله انگلیسی با فرمت pdf بر روی عنوان انگلیسی مقاله کلیک نمایید.
• برای خرید و دانلود ترجمه فارسی آماده با فرمت ورد، روی عنوان فارسی مقاله کلیک کنید.