TY - JOUR 
A1 - Vicens Moltó, José Luis
T1 - Propuesta de una herramienta didáctica para la docencia del Método de Elementos Finitos, aplicado mediante la “Toolbox PDE” de Matlab, a la simulación de transmisión de calor en especímenes poscosecha
Y1 - 2012
UR - http://hdl.handle.net/10317/3066
AB - [SPA]De acuerdo con la doctrina del EEES, la certificación de un sistema de enseñanza descansa en su capacidad para generar un aprendizaje objetivamente evaluable, y no en su consistencia académica.
Para estar en consonancia con las tendencias actuales, un currículo ingenieril debe incluir conocimientos tanto de algún lenguaje matemático de alta diversificación, como Matlab, como de alguna metodología para la simulación numérica. Sin embargo las carencias competenciales previas y las penurias crediticias en las Escuelas de Ingeniería dificultan seriamente estos objetivos. Y lo cierto es que si el estudiante no establece contacto con estas disciplinas tan importantes para el diseño y la investigación, en el periodo final del grado o el posgrado, difícilmente adoptará una actitud de acercamiento para su utilización y desarrollo en la investigación o el diseño.
Este trabajo de investigación de la Enseñanza de la Ingeniería en el área de Poscosecha propone una herramienta para la docencia de la aplicación del Método de Elementos Finitos, utilizando la “Toolbox PDE” de Matlab, a la simulación de transmisión de calor en especímenes poscosecha sometidos a refrigeración.
Este proyecto está animado de una doble intención. La primera, de carácter particular, se encamina a ofrecer al alumno una vía para el estudio de la refrigeración de productos poscosecha. La segunda, de carácter general, pretende acercar al alumno al entorno Matlab para que aprecie las posibilidades que le brinda para un uso posterior en proyectos, problemas, trabajos o investigaciones.
En el desarrollo de esta propuesta desempeñan un papel importante la figura de un Tutor-Facilitador, y una herramienta peculiar de Preproceso de Enseñanza Aprendizaje. Ambos elementos se articulan en el contexto del Contrato Ético de la Enseñanza de la Ingeniería.
En primer lugar se aplica la herramienta de Preproceso de Enseñanza Aprendizaje con la finalidad de que el alumno autoevalúe sus competencias previas para abordar el contenido, pueda subsanarlas e incorporarse adecuadamente al proceso de enseñanza aprendizaje.
En segundo lugar se desgrana un tránsito matemático hasta la ecuación de la transmisión del calor expresada en derivadas parciales desde las expresiones lineales por un doble camino, vectorial y diferencial, para que el alumno asocie las expresiones algebraicas clásicas con estas ecuaciones diferenciales de solución numérica.
En tercer lugar se enlaza la naturaleza de estas ecuaciones con su solución por el Método de Elementos finitos.
En cuarto lugar, se concreta esta solución en la Toolbox PDE de Matlab. Se explica la estructura de los programas Matlab de la Toolbox PDE, superponiendo tres planos. Uno, las etapas del método de elementos finitos en general. Dos, la verbalización del proceso de simulación. Tres, la estructura y secuencia de los comandos en estos programas.
En quinto lugar se realiza y explica simulación de un espécimen sencillo, isótropo.
En sexto lugar se diseñan algunos programas en Matlab, importando los datos numéricos de los resultados de las simulaciones en la Toolbox. Con ello se pretende que el alumno advierta las posibilidades del entorno Matlab para trabajar con carácter abierto con cualquier conjunto de datos.
En séptimo lugar se realiza una serie de simulaciones de enfriamiento por convección de especímenes de productos vegetales, en progresiva complejidad. Desde el espécimen isótropo inicial, hasta un espécimen con dos zonas físicamente diferenciadas, con parte de su corteza cubierta por una etiqueta y una zona de apoyo en una superficie adiabática.
Finalmente se plantea al alumno el diseño de una simulación compleja, contando para ello con el Tutor-Facilitador. 2
Cabe suponer que una vez motivado el alumno puede tomar iniciativas ulteriores encaminadas a aplicar estos procedimientos matemáticos a su proyecto curricular.[ENG]According to the doctrine of the EEES, the certification of an education system is based on its ability to obtain an objectively assessable learning, not academic consistency. To be in line with current trends, an engineering curriculum must include knowledge of both high diversification mathematical languages such as Matlab, as a methodology for numerical simulation. However, previous competency gaps in the Schools of Engineering seriously hinder these goals. And the fact is that if the student does not contact these disciplines as important to the design and research, in the final period or graduate degree, hardly adopts an attitude of approach for use in research and development or design.
This research of Engineering Education in the area of Postharvest proposes a teaching tool for the implementation of the Finite Element Method, using the "PDE Toolbox" of Matlab, the simulation of heat transfer in specimens subjected postharvest refrigeration.
This project has a double intention. Firstly, is aimed to offer to the students a way to study postharvest cooling products. Secondly, it aims to bring the student to the environment Matlab to appreciate the possibilities it offers for future use in projects, problems, work or research.
In developing this proposal play an important figure of an Advisor-Facilitator, and a peculiar tool Preprocessing Teaching Learning. Both elements are articulated in the context of ethical contract of Engineering Education.
The steps to obtain these objectives are:
a) Firstly, it is applied the Preprocessing Tool Teaching Learning in order the student can evaluate their skills prior and he/she can adequately correct them and to incorporate in the teaching-learning process.
b) Secondly, mathematician breaks down the way to the equation of heat transfer expressed as partial derived. The student will be able to associate classical algebraic expressions with these differential equations which have a numerical solution.
c) Thirdly, it binds the type of these equations with their solution by the finite element method. 3
d) Fourth, this solution takes shape in Matlab PDE Toolbox. It explains the structure of the programs Matlab PDE Toolbox, superimposing three planes. One stage of the finite element method in general. Two, the verbalization of the simulation process. Three, the structure and sequence of commands in these programs.
e) Fifthly it is done and it explains simple simulation of a specimen, in an isotropic system.
f) Sixth some programs are designed in Matlab, importing data from the results of numerical simulations in the Toolbox. This is to warn the student the possibilities of Matlab openness to work with any data set.
g) Seventh performed a series of simulations of convection cooling of plant specimens, in increasing complexity. From the initial isotropic specimen until a specimen with two physically distinct areas, with part of its skin covered with a label and a support area in adiabatic surface.
Finally, the student presents the design of a complex simulation, having as support the Advisor-Facilitator. Presumably once motivated students can take further initiatives aimed at implementing these mathematical procedures to their curriculum project.
KW - Elementos finitos
KW - Simulación numérica
KW - Matlab
KW - Poscosecha
KW - Enseñanza de la ingeniería
LA - spa
ER -