МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ MATLAB PDE TOOLBOX ДЛЯ СОЗДАНИЕ ЦИФРОВЫХ ДВОЙНИКОВ В ПИЩЕВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

В статье рассматривается подход к моделированию термодинамических процессов в производственных системах пищевой промышленности с использованием MATLAB PDE Toolbox. Основной целью исследования является создание цифровых двойников, которые позволяют имитировать тепловые процессы и оптимизировать производственные операции. Работа фокусируется на применении уравнений теплопроводности с учетом граничных условий Неймана и Дирихле, что обеспечивает точность и достоверность моделирования. Представлены результаты вычислительных экспериментов, демонстрирующие динамические изменения температурных полей в 2D-пространстве. Основное внимание уделено влиянию физических параметров, таких как теплопроводность, плотность и удельная теплоемкость, на распределение температуры. Полученные данные могут быть использованы для повышения энергоэффективности и качества производственных процессов в пищевой отрасли.
В результате исследования была разработана модель, описывающая температурные поля в среде MATLAB PDE Toolbox. Разработанная модель служит основой для дальнейших исследований в области цифровых двойников и интеграции с промышленными инструментами моделирования, такими как SIEMENS NX, а также платформами PML. В ходе данного исследования были протестированы различные коэффициенты теплопередачи и граничные условия, что позволило определить оптимальные параметры модели. Итоговый результат, представленный в конце статьи, демонстрирует плавное и корректное распределение термодинамических процессов, подтверждая эффективность предложенного подхода. В перспективе данный подход может быть использован для создания более сложных виртуальных производственных систем, позволяющих не только анализировать тепловые процессы, но и разрабатывать интеллектуальные системы управления термообработкой, улучшая адаптивность и эффективность технологических процессов.

1. Digital twins of food process operations: the next step for food process models? / P. Verboven et al // Current Opinion in Food Science. – 2020. – Vol. 35. – P. 79-87.

2. Huang Y. Implementation of Digital Twins in the Food Supply Chain / Y. Huang, Dr A. Ghadge, N. M. Yates // A Review and Conceptual Framework. International Journal of Production Research. – 2023. – 28 p. https://doi.org/10.1080/00207543.2024.2305804.

3. Тукембаева Г.Ч. Моделирование уравнений термодинамики динамическими системами / Г.Ч. Тукембаева, Б.К. Темиров // Проблемы автоматики и управления. – 2023. – № 2. – С. 109-115.

4. Сидельникова Н.А. Дифференциальные уравнения в частных производных первого порядка: учебное пособие / Н.А. Сидельникова; Башкирский государственный университет. – Уфа: РИЦ БашГУ, 2020.

5. Неробеев А.Д. Методы решения уравнений теплопроводности / А.Д. Неробеев, О.Д. Дячкин // Технологии физики, автоматизации и информатики. Актуальные исследования в современной науке. – 2020. – С. 50-51.

6. Мухидова Г.Э. Применение метода конечных элементов к одной задаче теплопередачи / Г.Э. Мухидова // International Сonference on Learning and Teaching. – 2022. – Т. 1, № 7. – С. 388-390.

7. Das S. An Introduction to Finite Element Analysis Using Matlab Tools. – Springer, 2023.

8. Arendt W. Dirichlet and Neumann boundary conditions: What is in between? / W. Arendt, M. Warma // Nonlinear Evolution Equations and Related Topics: Dedicated to Philippe Bénilan. – 2004. – Р. 119-135.

9. Dehghan M. Parameter determination in a partial differential equation from the overspecified data / M. Dehghan // Mathematical and computer modelling. – 2005. – Т. 41, № 2-3. – Р. 196-213.

10. Cess R.D. The interaction of thermal radiation with conduction and convection heat transfer / R.D. Cess // Advances in heat transfer. – Elsevier, 1964. – Т. 1. – Р. 1-50.

11. Digital twin in a manufacturing integrated system: Siemens TIA and PLM case study / D.A. Guerra-Zubiaga et al // ASME International Mechanical Engineering Congress and Exposition. – American Society of Mechanical Engineers, 2019. – Т. 59384. – Р. V02BT02A008.