شماره مدرك :
19594
شماره راهنما :
16933
پديد آورنده :
كلباسي‌نيا، عليرضا
عنوان :

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

مقطع تحصيلي :
كارشناسي ارشد
گرايش تحصيلي :
طراحي و ساخت
محل تحصيل :
اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان
سال دفاع :
1403
صفحه شمار :
ده، 89ص. : مصور، جدول
توصيفگر ها :
استقلال حل از شبكه , شرايط مرزي , آنتروپي , مربع خطاي نرمال شده , ميانگين ريشه مربعات خطا , ميانگين درصد قدرمطلق خطا , خوشه بندي K-means , روش Elbow , مدل RNG k-ε
تاريخ ورود اطلاعات :
1403/05/30
كتابنامه :
كتابنامه
رشته تحصيلي :
مهندسي مكانيك بيوسيستم
دانشكده :
مهندسي كشاورزي
تاريخ ويرايش اطلاعات :
1403/05/31
كد ايرانداك :
23056041
چكيده فارسي :
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.
چكيده انگليسي :
The environment of a solar greenhouse is influenced by external temperature, humidity, sunlight intensity, wind speed, the structure of the greenhouse, and the crops. Optimal control of the greenhouse's environmental conditions is possible through the correct placement of sensors to accurately measure the greenhouse's environmental parameters. Currently, the placement of sensors is determined based on the experience of greenhouse operators and designers. The main objective of this research is to select the optimal location for temperature sensor installation based on computational fluid dynamics analysis. In this study, a greenhouse, measuring 52.5 meters in length, 21 meters in width, and 7.75 meters in height, was examined, containing three air temperature sensors, one humidity sensor, one soil temperature sensor, one upper room temperature sensor, and one sunlight intensity sensor. Initially, air temperature data from 60 points in the greenhouse were recorded over three consecutive days: March 13, 14, and 15, 2023, from 8 AM to 5 PM. The studied greenhouse was then modeled in SolidWorks and loaded into ANSYS Fluent for simulating heat transfer processes within the greenhouse. The meshing of the model was performed using ANSYS Meshing, and boundary conditions, including the greenhouse walls (floor, ceiling, and side walls), as well as air inlets and outlets, were defined in the software. The quality of the mesh was eva‎luated using orthogonality, skewness, and aspect ratio quality indices. The independence of the solution from the mesh was examined, and a model with 324,414 cells was deemed suitable. During the data collection period, heat transfer simulations in the greenhouse were conducted for six different scenarios where the cooling system was off and the exhaust vents were closed, and for seven other scenarios where the cooling system was on. Additionally, turbulent flow was considered, and the RNG k-ε model was selected for solving the problem. Temperature and air velocity data were extracted at 15 nodes at a height of 1.5 meters from the greenhouse floor for all simulation scenarios. The calculated Z index, using standardized temperature and air velocity data and the absolute temperature difference of each node from the average, was estimated to determine the optimal location for sensor installation. The method based on entropy and K-means clustering was used to determine the appropriate installation location for the sensor. A comparison of experimental and simulation data showed that the accuracy of the simulation was at an acceptable level, with the average recorded errors in all cases being less than 5%. The normalized mean square error (NMSE), root mean square error (RMSE), and mean absolute percentage error (MAPE) for the cooling system turned on were estimated to be 0.07 degrees Celsius, 0.38 degrees Celsius, and 2.01 percent, respectively, while for the cooling system turned off, they were estimated to be 0.08 degrees Celsius, 0.42 degrees Celsius, and 2.13 percent, respectively. In all simulation cases, the maximum and minimum temperatures for the greenhouse ceiling and floor were recorded. The results indicated that the difference between the maximum and minimum temperatures when the cooling system was off was greater than when the cooling system was on. Using the absolute temperature difference relative to the average, if a single air temperature sensor is to be used in the greenhouse, position number 4 (near the pad) was determined as the best location for sensor installation using the entropy method, while position number 8 (the center of the greenhouse) was determined using the K-means method. By concidering the Z index, the optimal sensor placement positions were selected as nodes 4 and 5 for the entropy and K-means methods, respectively. Additionally, the optimal number of sensors in the greenhouse was determined to be 3 using the Elbow method.
استاد راهنما :
مهرنوش جعفري , رامين كوهي كمالي
استاد مشاور :
مرتضي صادقي , علي نيك بخت
استاد داور :
علي قاسمي , الهام فاضل
لينک به اين مدرک :

بازگشت