تعيين مكان بهينه قرارگيري حسگرهاي دماي هوا در گلخانه بر اساس آناليز ديناميك سيالات محاسباتي

اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان

مهندسي مكانيك بيوسيستم

كارشناسي ارشد

محيط يك گلخانه خورشيدي تحت تأثير دماي خارجي، رطوبت، شدت تابش نور خورشيد، سرعت باد، ساختار گلخانه و محصولات كاشته‌شده است.كنترل بهينه شرايط محيطي گلخانه با انتخاب صحيح محل نصب حسگرها به منظور سنجش دقيق پارامترهاي محيطي گلخانه امكان‌پذير است. در حال حاضر، مكان‌ نصب حسگرها با توجه به تجربه گلخانه¬داران و طراحان گلخانه تعيين مي‌شود. هدف اصلي از پژوهش حاضر انتخاب مكان بهينه براي نصب حسگر دما براساس آناليز ديناميك سيالات محاسباتي است. در اين پژوهش از داده‌هاي دماي هواي محيط گلخانه كه يكي از مهم‌ترين عوامل رشد گياه محسوب مي¬شود، استفاده شد. گلخانه‌اي با تجهيزات كامل شامل سه حسگر دماي هوا، يك حسگر رطوبت هوا، يك حسگر دماي خاك، يك حسگر دماي بالاي سالن و يك حسگر شدت تابش نور خورشيد و به طول 5/52 متر و عرض 21 متر و ارتفاع 75/7 متر مورد بررسي قرار گرفت. ابتدا داده¬هاي دماي هواي 60 نقطه از گلخانه، در سه روز متوالي 23، 24 و 25 اسفند ماه سال 1401، ساعت 8 صبح الي 5 بعدازظهر ثبت شد. سپس گلخانه مورد مطالعه در نرم‌افزار ساليدوركس ترسيم و در نرم‌افزار انسيس‌فلوئنت به منظور انجام فرآيند شبيه‌سازي انتقال حرارت در گلخانه بارگذاري شد. شبكه¬بندي مدل به كمك نرم‌افزار انسيس مشينگ انجام شد و شرايط مرزي شامل ديواره‌هاي گلخانه (كف، سقف و ديوارهاي جانبي)، ورودي و خروجي هوا در نرم افزار تعريف شد. كيفيت شبكه با شاخص¬هاي كيفيت متعامد، خوابيدگي و نسبت منظري بررسي شد. استقلال حل از شبكه مورد بررسي قرار گرفت و مدلي با تعداد 324414 سلول مناسب شناخته شد. در بازه زماني داده‌برداري براي 6 حالت مختلف كه سامانه خنك‌كننده خاموش و دريچه‌هاي تخليه بسته بود و 7 حالت ديگر كه سامانه خنك‌كننده روشن بود، شبيه‌سازي انتقال حرارت در گلخانه انجام شد. همچنين جريان از نوع آشفته (متلاطم) و مدل RNG k-ε براي حل مسئله انتخاب گرديد. داده¬هاي دمايي و سرعت جريان هوا در 15 گره در ارتفاع 5/1 متري از كف گلخانه براي كليه حالت¬هاي شبيه‌سازي استخراج شد. شاخص Z محاسبه شده به كمك داده¬هاي استاندارد شده دما و سرعت جريان هوا و اختلاف مطلق دماي هر گره نسبت به ميانگين، براي تعيين مكان بهينه براي نصب حسگر تخمين زده شدند. از روش مبتني بر آنتروپي و خوشه بندي K-means براي تعيين موقعيت مناسب نصب حسگر استفاده شد. مقايسه داده‌هاي تجربي و شبيه‌سازي نشان داد، دقت شبيه‌سازي در حد قابل قبول بوده و ميانگين خطاهاي ثبت‌شده در تمامي حالات كمتر از 5% است. مربع خطاي نرمال شده (NMSE)، ميانگين ريشه مربعات خطا (RMSE) و ميانگين درصد قدرمطلق خطا (MAPE) براي حالت سامانه خنك‌كننده روشن به ترتيب، 07/0 درجه سلسيوس، 38/0 درجه سلسيوس و 01/2 درصد و براي حالت سامانه خنك‌كننده خاموش به ترتيب 08/0 سلسيوس، 42/0 سلسيوس و 13/2 درصد تخمين زده شد. در كليه حالات شبيه‌سازي، به ترتيب بيشينه و كمينه دما براي سقف گلخانه و كف گلخانه ثبت شد. نتايج نشان داد اختلاف بيشينه و كمينه دما در حالت خاموش بودن سامانه خنك‌كننده از حالتي كه اين سامانه روشن است، بيشتر است. با استفاده از داده‌هاي اختلاف مطلق دما نسبت به ميانگين، اگر قرار به استفاده از يك حسگر دماي هوا در گلخانه باشد، در روش آنتروپي موقعيت شماره 4 (نزديك پد) و در روش K-means موقعيت شماره 8 (مركز گلخانه) به عنوان بهترين مكان نصب حسگر تعيين شد. به كمك شاخص Z، در روش آنتروپي و روش K-means بهينه موقعيت قرارگيري حسگر به ترتيب گره¬هاي 4 و 5 انتخاب شد. همچنين تعداد 3 حسگر به عنوان بهينه تعداد حسگر در گلخانه با استفاده از روش Elbow تعيين گرديد.

229514

طراحي و ساخت

مهندسي كشاورزي

دانشگاه صنعتي اصفهان