تعیین مكان بهینه قرارگیری حسگرهای دمای هوا در گلخانه بر اساس آنالیز دینامیك سیالات محاسباتی
تاریخ دفاع
مقطع تحصیلی
كارشناسی ارشد
گروه آموزشی
مهندسی بیوسیستم
استاد
مهرنوش جعفری
محیط یک گلخانه خورشیدی تحت تأثیر دمای خارجی، رطوبت، شدت تابش نور خورشید، سرعت باد، ساختار گلخانه و محصولات کاشتهشده است.کنترل بهینه شرایط محیطی گلخانه با انتخاب صحیح محل نصب حسگرها به منظور سنجش دقیق پارامترهای محیطی گلخانه امکانپذیر است. در حال حاضر، مکان نصب حسگرها با توجه به تجربه گلخانه¬داران و طراحان گلخانه تعیین میشود. هدف اصلی از پژوهش حاضر انتخاب مکان بهینه برای نصب حسگر دما براساس آنالیز دینامیک سیالات محاسباتی است. در این پژوهش از دادههای دمای هوای محیط گلخانه که یکی از مهمترین عوامل رشد گیاه محسوب می¬شود، استفاده شد. گلخانهای با تجهیزات کامل شامل سه حسگر دمای هوا، یک حسگر رطوبت هوا، یک حسگر دمای خاک، یک حسگر دمای بالای سالن و یک حسگر شدت تابش نور خورشید و به طول 5/52 متر و عرض 21 متر و ارتفاع 75/7 متر مورد بررسی قرار گرفت. ابتدا داده¬های دمای هوای 60 نقطه از گلخانه، در سه روز متوالی 23، 24 و 25 اسفند ماه سال 1401، ساعت 8 صبح الی 5 بعدازظهر ثبت شد. سپس گلخانه مورد مطالعه در نرمافزار سالیدورکس ترسیم و در نرمافزار انسیسفلوئنت به منظور انجام فرآیند شبیهسازی انتقال حرارت در گلخانه بارگذاری شد. شبکه¬بندی مدل به کمک نرمافزار انسیس مشینگ انجام شد و شرایط مرزی شامل دیوارههای گلخانه (کف، سقف و دیوارهای جانبی)، ورودی و خروجی هوا در نرم افزار تعریف شد. کیفیت شبکه با شاخص¬های کیفیت متعامد، خوابیدگی و نسبت منظری بررسی شد. استقلال حل از شبکه مورد بررسی قرار گرفت و مدلی با تعداد 324414 سلول مناسب شناخته شد. در بازه زمانی دادهبرداری برای 6 حالت مختلف که سامانه خنککننده خاموش و دریچههای تخلیه بسته بود و 7 حالت دیگر که سامانه خنککننده روشن بود، شبیهسازی انتقال حرارت در گلخانه انجام شد. همچنین جریان از نوع آشفته (متلاطم) و مدل RNG k-? برای حل مسئله انتخاب گردید. داده¬های دمایی و سرعت جریان هوا در 15 گره در ارتفاع 5/1 متری از کف گلخانه برای کلیه حالت¬های شبیهسازی استخراج شد. شاخص Z محاسبه شده به کمک داده¬های استاندارد شده دما و سرعت جریان هوا و اختلاف مطلق دمای هر گره نسبت به میانگین، برای تعیین مکان بهینه برای نصب حسگر تخمین زده شدند. از روش مبتنی بر آنتروپی و خوشه بندی K-means برای تعیین موقعیت مناسب نصب حسگر استفاده شد. مقایسه دادههای تجربی و شبیهسازی نشان داد، دقت شبیهسازی در حد قابل قبول بوده و میانگین خطاهای ثبتشده در تمامی حالات کمتر از 5% است. مربع خطای نرمال شده (NMSE)، میانگین ریشه مربعات خطا (RMSE) و میانگین درصد قدرمطلق خطا (MAPE) برای حالت سامانه خنککننده روشن به ترتیب، 07/0 درجه سلسیوس، 38/0 درجه سلسیوس و 01/2 درصد و برای حالت سامانه خنککننده خاموش به ترتیب 08/0 سلسیوس، 42/0 سلسیوس و 13/2 درصد تخمین زده شد. در کلیه حالات شبیهسازی، به ترتیب بیشینه و کمینه دما برای سقف گلخانه و کف گلخانه ثبت شد. نتایج نشان داد اختلاف بیشینه و کمینه دما در حالت خاموش بودن سامانه خنککننده از حالتی که این سامانه روشن است، بیشتر است. با استفاده از دادههای اختلاف مطلق دما نسبت به میانگین، اگر قرار به استفاده از یک حسگر دمای هوا در گلخانه باشد، در روش آنتروپی موقعیت شماره 4 (نزدیک پد) و در روش K-means موقعیت شماره 8 (مرکز گلخانه) به عنوان بهترین مکان نصب حسگر تعیین شد. به کمک شاخص Z، در روش آنتروپی و روش K-means بهینه موقعیت قرارگیری حسگر به ترتیب گره¬های 4 و 5 انتخاب شد. همچنین تعداد 3 حسگر به عنوان بهینه تعداد حسگر در گلخانه با استفاده از روش Elbow تعیین گردید.
کلمات کلیدی: استقلال حل از شبکه، شرایط مرزی، آنتروپی، مربع خطای نرمال شده، میانگین ریشه مربعات خطا، میانگین درصد قدرمطلق خطا، خوشه بندی K-means، روش Elbow، مدل RNG k-?

