The use of cellular automata in modeling the processes of wood drying in a stack

Abstract

Досліджено можливості використання моделі клітинних автоматів при вирішені завдання тепло- і вологоперенесення в камері сушіння деревини періодичної дії. Також досліджено процеси тепло- і вологообміну між деревиною та її агентом сушіння. Дослідження проведено з використанням CAD-моделі штабеля висушуваної деревини. Для використання клітинних автоматів запропоновано подання досліджуваної CAD-моделі у вигляді масиву кубів, кожен з яких має шість граней (клітин). Також в роботі запропоновано використання різних зон дослідження, кожна з яких дає змогу обчислювати значення температури та вологовмісту в різних місцях досліджуваної CAD-моделі, зокрема всередині деревини, на її межі чи в агенті її сушіння. Запропонована клітинно-автоматна модель містить локальні взаємозв’язки між клітинами, які описують їх загальну поведінку. Окрім опису загальної поведінки клітин, в моделі передбачена можливість задавання фізичних характеристик матеріалу. Це дає змогу апроксимувати процеси та визначити нові значення фізичних характеристик матеріалу, у т. ч. температуру та вологовміст. Запропонований алгоритм використання клітинних автоматів дає можливість отримувати достовірний результат без потреби проводити складні та дороговартісні практичні експерименти. Для пришвидшення процесу розрахунку використовується багатошаровість, яка полягає в отриманні числових значень фізичних характеристик матеріалу в декількох сусідніх клітинах, які розташовані на одному напрямку взаємодії. В роботі також наведено графіки зміни температури та відносної вологості агенту сушіння деревини. Окрім цього, наведено графіки зміни температури та вологовмісту деревини всередині та на її межі. Для перевірки адекватності та достовірності, проводиться порівняння отриманих результатів із результатами іншого експерименту. Для цього порівняння обчислюється середня абсолютна похибка між значеннями температури та вологості обох експериментів. Значення цієї похибки дають можливість визначити перспективи використання клітинних автоматів під час моделюваняі процесів тепло- і вологоперенесення в камерах сушіння деревини.

In this work, we investigated the possibilities of using a model of cellular automata in solving the problem of heat and moisture transfer in a periodic wood drying chamber. Thus, in this work are investigating the processes of heat and moisture transfer between the wood and its drying agent. Studies are carried out by using CAD model of stack of dried wood. To use cellular automata, it is proposed to present the CAD model as an array of cubes, each of which has six faces (cells). In this work also proposes to use the different research zones, each of which allows us to calculate the values of temperature and moisture content in different places of the CAD model. In particular, these zones can be placed inside the wood, on its boundary or in the agent of its drying. The proposed cell-automata model contains local relationships between cells that describe their general behavior. In addition to describing the general behavior of cells, the model provides the possibility of setting the physical characteristics of the material. This allows us to approximate processes and determine new values of the physical characteristics of the material, including temperature and moisture content. The proposed algorithm for the use of cellular automata makes it possible to obtain a reliable result unnecessarily to conduct complex and expensive practical experiments. To speed up the calculation process, propose to use multilayered, which consists in obtaining numerical values of the physical characteristics of the material from several adjacent cells, which are located in the same direction of interaction. The work also provides graphs of changes in temperature and relative humidity of the wood drying agent. In this work is also given graphs of changes in temperature and moisture content of wood inside and on its boundary. To check the adequacy and reliability, all results are compared with the results of another experiment. To check the adequacy and reliability, we compared the obtained results with the results of another experiment. For this comparison in work it is calculated the relative error between the temperature and moisture content values of both experiments. The value of this relative error makes it possible to determine the prospects for the use of cellular automata in the simulation of heat and moisture transfer processes in wood drying chambers.