Summary
هنا ، نقدم طريقة تحليل النطاق لتحسين نقاط العينة الناتجة عن تصميم تجريبي متعامد لضمان إمكانية تخزين الطعام الطازج في صندوق تهوية لفترة طويلة من خلال تنظيم نمط تدفق الهواء.
Abstract
تهدف هذه الدراسة إلى حل مشاكل فوضى تدفق الهواء وضعف الأداء في صندوق التهوية الناجم عن التوزيع غير المتجانس لتدفق الهواء من خلال تصميم الهيكل الداخلي للصندوق ذو التهوية مع استهلاك ثابت للطاقة. الهدف النهائي هو توزيع تدفق الهواء بالتساوي داخل الصندوق ذي التهوية. تم إجراء تحليل الحساسية لثلاثة معلمات هيكلية: عدد الأنابيب ، وعدد الثقوب في الأنبوب الأوسط ، وعدد كل زيادة من الداخل إلى الأنبوب الخارجي. تم تحديد ما مجموعه 16 مجموعة صفيف عشوائية من ثلاثة معلمات هيكلية مع أربعة مستويات باستخدام التصميم التجريبي المتعامد. تم استخدام البرمجيات التجارية لبناء نموذج 3D للنقاط التجريبية المختارة ، وتم استخدام هذه البيانات للحصول على سرعات تدفق الهواء ، والتي تم استخدامها بعد ذلك للحصول على الانحراف المعياري لكل نقطة تجريبية. وفقا لتحليل النطاق ، تم تحسين الجمع بين المعلمات الهيكلية الثلاثة. بمعنى آخر ، تم إنشاء طريقة تحسين فعالة واقتصادية مع مراعاة أداء الصندوق ذي التهوية ، ويمكن استخدامه على نطاق واسع لتمديد وقت تخزين الطعام الطازج.
Introduction
تحتل الخضروات والفواكه الطازجة نسبة عالية من استهلاك الغذاء البشري ، ليس فقط لأنها تتمتع بمذاق جيد وشكل جذاب ، ولكن أيضا لأنها ذات فائدة كبيرة للناس للحصول على التغذية والحفاظ على الصحة1. أظهرت العديد من الدراسات أن الفواكه والخضروات الطازجة تلعب دورا فريدا في الوقاية من العديد من الأمراض 2,3. في عملية تخزين الفواكه والخضروات الطازجة ، تعد الفطريات والضوء ودرجة الحرارة والرطوبة النسبية من الأسباب المهمة لتدهورها4،5،6،7،8. تؤثر هذه الظروف الخارجية على جودة الفواكه والخضروات الطازجة المخزنة من خلال التأثير على التمثيل الغذائي الداخلي أو التفاعلات الكيميائية9.
تشمل تقنيات المعالجة الشائعة للفواكه والخضروات الحفظ غير الحراري والحراري. من بينها ، المعالجة الحرارية لها تأثير إيجابي على عملية التجفيف ، ولكن يمكن أن يكون لها أيضا آثار ضارة على جودة المنتج ، مثل فقدان العناصر الغذائية ، وتغيير النكهة والرائحة ، وتغيير اللون10,11. لذلك ، في السنوات الأخيرة ، حظي الحفاظ على المنتجات غير الحرارية بالاهتمام من منظور البحث لتلبية طلب المستهلكين على المنتجات الطازجة. في الوقت الحاضر ، هناك بشكل أساسي معالجة الإشعاع ، والمجال الكهربائي النبضي ، ومعالجة الأوزون ، والطلاءات الصالحة للأكل ، وثاني أكسيد الكربون الكثيف الطور ، وغيرها من تقنيات الحفظ غير الحراري لتخزين الفواكه والخضروات ، ولكن هذه التقنيات غالبا ما يكون لها أوجه قصور ، مثل متطلبات المعدات الكبيرة ، والسعر المرتفع ، وتكلفة الاستخدام12. لذلك ، فإن تصميم هيكل بسيط وتكلفة منخفضة وتحكم مريح في معدات الحفظ له مغزى كبير لصناعة الأغذية.
في بيئة تخزين الفواكه والخضروات ، يساعد نظام تدوير الهواء المناسب على التخلص من الحرارة الناتجة عن المنتج نفسه ، وتقليل تدرج درجة الحرارة ، والحفاظ على درجة الحرارة والرطوبة في المساحة التي يوجد بها. يمنع دوران الهواء السليم أيضا فقدان الوزن بسبب التنفس والالتهابات الفطرية13،14،15. أجريت العديد من الدراسات حول تدفق الهواء داخل الهياكل المختلفة. قام Praeger et al.16,17 بقياس سرعة الرياح في مواضع مختلفة تحت قوى تشغيل مروحة مختلفة في مستودع من خلال أجهزة استشعار ووجدوا أنه يمكن أن يكون هناك فرق كبير يصل إلى سبعة أضعاف في سرعة الهواء بسبب الارتفاعات الرأسية المختلفة ، وكانت سرعة الهواء في كل موضع مرتبطة بشكل إيجابي مع قوة تشغيل المروحة. علاوة على ذلك ، فحصت دراسة تأثير ترتيب الحمولة وعدد المراوح على تدفق الهواء ، وخلصت إلى أن زيادة مسافة بعض مواضع المروحة واختيار عدد المراوح بشكل عقلاني كان مفيدا في تحسين التأثير. درس بيري وآخرون تأثير تدفق الهواء في بيئات تخزين الفاكهة المختلفة على توزيع الثغور في صناديق التعبئة. باستخدام برنامج المحاكاة ، درس Dehghannya et al.19,20 حالة تدفق الهواء للهواء القسري قبل البارد في العبوة مع مناطق تنفيس وكميات ومواضع توزيع مختلفة على جدار العبوة ، وحصلوا على التأثير غير الخطي لكل معلمة على حالة تدفق الهواء. طبق Delele et al.21 نموذج ديناميكيات الموائع الحسابية لدراسة تأثير المنتجات الموزعة عشوائيا في أشكال مختلفة من صناديق التهوية على تدفق الهواء. ووجدوا أن حجم المنتج والمسامية ونسبة ثقب الصندوق كان لها تأثير أكبر على تدفق الهواء ، في حين أن التعبئة العشوائية كان لها تأثير أقل. درس Ilangovan et al.22 أنماط تدفق الهواء والسلوك الحراري بين هياكل التغليف الثلاثة وقارن النتائج مع النماذج الهيكلية المرجعية. أظهرت النتائج أن توزيع الحرارة في الصندوق لم يكن منتظما بسبب اختلاف مواقع وتصميمات الفتحة. قام Gong et al.23 بتحسين عرض الفجوة بين حافة الدرج وجدار الحاوية.
تشمل التقنيات المستخدمة في هذا البحث طرق المحاكاة والتحسين. مبدأ الأول هو أن المعادلات الحاكمة تم تمييزها وحلها عدديا باستخدام طريقة الحجم المحدود21. يشار إلى طريقة التحسين المستخدمة في هذا البحث باسم التحسين المتعامد24. الاختبار المتعامد هو طريقة تحليل نموذجية متعددة العوامل ومتعددة المستويات. يحتوي الجدول المتعامد الذي تم إنشاؤه باستخدام هذه الطريقة على نقاط تمثيلية موزعة بشكل موحد في مساحة التصميم ، والتي يمكن أن تصف بصريا مساحة التصميم بأكملها ويتم فحصها. أي أن عددا أقل من النقاط يمثل اختبار العامل الكامل ، مما يوفر الوقت والقوى العاملة والموارد المادية والمالية بشكل كبير. تم استخدام الاختبار المتعامد على نطاق واسع في تصميم التجارب في مجالات أنظمة الطاقة والكيمياء والهندسة المدنية وما إلى ذلك25.
الهدف من هذه الدراسة هو تصميم وتحسين صندوق تهوية عالي الأداء. يمكن تعريف الصندوق ذو التهوية على أنه صندوق أصلي بما في ذلك جهاز التحكم في الغاز الذي يشتت الغاز بشكل موحد في الصندوق. يشير توحيد السرعة إلى كيفية تدفق الهواء بالتساوي عبر الصندوق ذي التهوية. أظهر Yun-De et al.26 سابقا أن خاصية المواد متعددة المسام لها تأثير مهم على توحيد سرعة صندوق الخضروات الطازجة. في بعض التجارب ، تم ترك غرفة كاملة أو معدلة في كل من الجزء العلوي والسفلي من غرفة الاختبار لضمان توزيع متجانس للهواء القسري أو المستحث27. يحتوي الصندوق ذو التهوية المصمم في هذه الورقة على صفائف من الأنابيب ذات ثقوب متعرجة. التحكم في توزيع تدفق الهواء في الصندوق ذو التهوية هو استراتيجية الحفظ الرئيسية. يوجد مدخلان للهواء متساويان في الحجم مثبتان بالتوازي على الجانبين الأيسر والأيمن من الصندوق ذي التهوية ، ويتم ضبط مخرج في الجانب العلوي من الصندوق. تصميم الهيكل الداخلي لصندوق التهوية هو مفتاح هذه الدراسة. بمعنى آخر ، يعد عدد الأنابيب والثقوب معلمة مهمة لتغيير الهيكل الداخلي للصندوق ذي التهوية. يحتوي النموذج المرجعي على 10 أنابيب. يحتوي الأنبوبان الأوسطان على 10 ثقوب لكل منهما ، وهي متداخلة عبر الأنابيب. يزداد عدد الثقوب من الأنبوب الأوسط إلى الأنبوب الخارجي بمقدار اثنين في المرة الواحدة.
بمعنى آخر ، عندما نحتفظ بالخضروات والفواكه الطازجة وغيرها من المنتجات ، يمكن أن يقلل تدفق الهواء المستمر والمستقر من تنفس المنتجات ، ويقلل من الإيثيلين والمواد الضارة الأخرى للحفاظ على المنتج ، ويقلل درجة الحرارة التي تنتجها المنتجات نفسها. نظرا للمعلمات المختلفة للصندوق ذي التهوية ، ليس من السهل الحصول على حالة تدفق الهواء المطلوبة ، والتي ستؤثر على خاصية الحفاظ على الصندوق ذي التهوية. لذلك ، يأخذ المشروع توحيد سرعة تدفق الهواء الداخلي للصندوق المهواة كهدف للتحكم. تم إجراء تحليل حساسية للمعلمات الهيكلية للصندوق المهواة. تم اختيار العينات عن طريق التصميم التجريبي المتعامد. استخدمنا تحليل النطاق لتحسين الجمع بين المعلمات الهيكلية الثلاثة. وفي الوقت نفسه ، نتحقق من استصواب نتائج التحسين.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. معالجة ما قبل المحاكاة
ملاحظة: بالنظر إلى صفائف الأنابيب ، يتم إنشاء النصف السفلي ثلاثي الأبعاد والنصف العلوي من نماذج الصناديق ذات التهوية باستخدام برنامج ثلاثي الأبعاد وحفظها كملفات X_T ، يتم عرض الأبعاد الكلية في الشكل 1. يتم عرض التكوينات في جدول المواد.
- قم بتشغيل برنامج المحاكاة واسحب مكون Mesh من "أنظمة المكونات" إلى نافذة "Project Schematic". سمها "القاع". انقر بزر الماوس الأيمن فوق هندسة وانقر فوق استعراض لاستيراد ملف X_T السفلي.
- انقر بزر الماوس الأيمن فوق Geometry ، وانقر فوق هندسة DesignModeler جديدة للدخول في نافذة "Mesh-Designmodeler" ، وانقر فوق إنشاء لعرض النموذج السفلي.
- انقر بزر الماوس الأيمن فوق السطح العلوي وانقر فوق التحديد المسمى لإعادة تسميته "تنفيس box_upper". حدد مرشح التحديد: الهيئات. انقر بزر الماوس الأيمن فوق النموذج السفلي لتحديد التحديد المسمى وإعادة تسميته باسم "الجزء السفلي".
- حدد مرشح التحديد: وجوه وقم بتبديل "تحديد الوضع" إلى Box Select. حدد جميع الأسطح الداخلية ، وانقر بزر الماوس الأيمن لتحديد التحديد المسمى ، وأعد تسميته ك "surfaces_external داخلي" ، يتم تعريفه على أنه واجهات ميكانيكية لاحقا. ارجع إلى النافذة الأولية.
- انقر نقرا مزدوجا فوق الشبكة السفلية. أدخل نافذة "الشبكات". قم بتغيير "التفضيلات المادية" من ميكانيكي إلى CFD. انقر فوق تحديث لإنشاء نموذج الشبكة. ارجع إلى النافذة الأولية.
- اسحب مكون الشبكةمن "أنظمة المكونات" إلى نافذة "مخطط المشروع". سمها "أعلى". انقر بزر الماوس الأيمن فوق هندسة وانقر فوق استعراض لاستيراد ملف X_T العلوي.
- انقر بزر الماوس الأيمن فوق هندسة وانقر فوق هندسة DesignModeler جديدة للدخول في نافذة "Mesh-Designmodeler". انقر فوق إنشاء لعرض النموذج الأعلى.
- انقر بزر الماوس الأيمن فوق السطح السفلي وانقر فوق التحديد المسمى لإعادة تسميته ك "تنفيس box_lower". حدد مرشح التحديد: الهيئات. انقر بزر الماوس الأيمن فوق النموذج العلوي لتحديد التحديد المسمى وإعادة تسميته ك "أعلى".
- حدد مرشح التحديد: الوجوه. انقر بزر الماوس الأيمن فوق السطح العلوي وانقر فوق التحديد المسمى لإعادة تسميته كمأخذ. ارجع إلى النافذة الأولية.
- انقر نقرا مزدوجا فوق شبكة الجزء العلوي. أدخل نافذة "الشبكات". قم بتغيير "التفضيلات المادية" من ميكانيكي إلى CFD. انقر بزر الماوس الأيمن فوق شبكة لتحديد التحجيم في "إدراج". حدد مرشح التحديد: الهيئات. حدد الطراز الأعلى واكتب 18 في "حجم العنصر". انقر فوق تحديث. ارجع إلى النافذة الأولية.
- اسحب مكون الشبكة من "أنظمة المكونات" إلى نافذة "مخطط المشروع". سمها باسم الأنبوب. قم باستيراد ملف X_T الأنبوب بالنقر فوق الشكل الهندسي.
- أدخل نافذة "Mesh-Designmodeler". انقر فوق إنشاء لعرض عرض طراز الإخراج مرة أخرى.
- حدد الوجهين النهائيين للأنبوب وقم بتسميتهما ك "inlet1" و "inlet2" ، واختيار الأنبوب حسب الجسم ووضع العلامات عليه كأنبوب.
- يتم تصنيف جميع الأسطح الداخلية حسب اختيار الصندوق على أنها "surfaces_internal داخلي" ، ويتم تعريفها على أنها واجهات شبكية لاحقا. ارجع إلى النافذة الأولية.
- انقر نقرا مزدوجا فوق شبكة الأنبوب. أدخل نافذة "الشبكات". قم بتغيير "التفضيلات المادية" من ميكانيكي إلى CFD. يمكن إنشاء نموذج الشبكة بالنقر فوق "تحديث". ارجع إلى النافذة الأولية.
ملاحظة: يوضح الشكل 2 أ شبكة النصف السفلي من الصندوق المهواة ، ويوضح الشكل 2 ب شبكة النصف العلوي من الصندوق المهواة ، ويوضح الشكل 2 ج شبكة الأنبوب. كما هو موضح في الشكل 3 ، مع زيادة عدد الشبكات من 4,137,724 إلى 5,490,081 ، تكون تغييرات الانحراف المعياري أقل من 0.0008. بالنظر إلى قدرة الحساب ودقته ، يعتمد التحليل التالي على نموذج شبكي يحتوي على 4,448,536 شبكة.
2. تحليل المحاكاة
ملاحظة: يتم وصف العمليات التالية استنادا إلى التسلسل العام لتحليل المحاكاة من الإعداد إلى الحل إلى النتيجة.
- اسحب مكون المحاكاة إلى نافذة "مخطط المشروع". اربط ثلاثة مكونات شبكية بمكون المحاكاة وقم بالتحديث للإدخال.
- اعداد
ملاحظة: يتكون "الإعداد" من خمس خطوات: عام ، والنماذج ، والمواد ، وظروف منطقة الخلية ، وشروط الحدود.- عام: تحقق من صحة نموذج الشبكة. تحقق مما إذا كانت الشبكة لها حجم سالب. حدد ثابت. بالنسبة لعوامل الاسترخاء والعوامل المتبقية ومقياس الوقت، حدد القيم الافتراضية. إذا كانت هناك أي مشكلة في الشبكة المقسمة أو إعدادات النموذج ، فستظهر رسالة خطأ.
- النماذج: أدخل واجهة الإعداد الخاصة ب "النموذج اللزج" لتحديد طراز K-epsilon.
- المواد: اضبط مادة "الهواء".
- شروط منطقة الخلية: قم بتغيير نوع منطقة الخلية إلى سائل.
- شروط الحدود
- قم بتحويل نوع box_upper التهوية box_lower التهوية surfaces_external الداخلية surfaces_internal الداخلية من "الجدار" الافتراضي إلى "الواجهة".
ملاحظة: يقوم برنامج المحاكاة بإنشاء "واجهات الشبكة" على الفور بعد إنهاء الخطوة أعلاه. - افتح واجهات الشبكة وادخل إلى نافذة "إنشاء / تحرير واجهات الشبكة ". طابق surfaces_external الداخلي مع surfaces_internal الداخلي. تنفيس المباراة box_upper للتنفيس box_lower. أخيرا ، يتم إنشاء السطحتين الشبكيتين في المربع المهواة وتسمى الواجهة 1 والواجهة 2 ، على التوالي.
- اضبط سرعات تدفق الهواء لجميع المداخل على أنها 8.9525 م / ث في نافذة "مدخل السرعة" وضغط مقياس المخرج على أنه صفر في نافذة "مخرج الضغط".
- قم بتحويل نوع box_upper التهوية box_lower التهوية surfaces_external الداخلية surfaces_internal الداخلية من "الجدار" الافتراضي إلى "الواجهة".
- حل
- قم بتعيين نمط تهيئة الحل كتهيئة قياسية قبل التهيئة.
- قم بتعيين عدد التكرارات على أنه 2000.
- انقر فوق حساب لبدء المحاكاة والعودة إلى النافذة الأولية حتى تنتهي المحاكاة.
- النتائج
- انقر على النتائج. أدخل نافذة "CFD Post" وانقر على أيقونة الانسيابية في صندوق الأدوات.
- حدد منفذا في "البدء من" وللخلف في "الاتجاه". انقر فوق تطبيق لإنشاء مخطط التدفق الداخلي للصندوق الذي تم تنفيسه.
- انقر فوق المستوى في "الموقع" ، وحدد ZX Plane في "الطريقة" ، وحدد قيمة الإدخال 0.6. انقر Apply لإنشاء المستوى 0.6 متر من السطح السفلي.
- انقر فوق رمز الكنتور في مربع الأدوات ، وحدد المستوى 1 في "المواقع" ، وحدد السرعة في "متغير" ، وحدد محلي في "النطاق". انقر Apply لإنشاء محيط السرعة.
- تصدير بيانات معدل التدفق للمستوى الذي تم إنشاؤه أعلاه. الحصول على الانحراف المعياري لمعدل التدفق في برنامج جداول البيانات (على سبيل المثال ، Excel).
ملاحظة: تم إجراء تحليل حساسية لثلاثة متغيرات هيكلية للصندوق ذي التهوية. يحتوي عدد الأنابيب على أربعة مستويات: ثمانية و 10 و 12 و 14. يحتوي عدد الثقوب في الأنابيب الوسطى على أربعة مستويات: ثمانية و 10 و 12 و 14. يحتوي عدد كل زيادة من الداخل إلى الأنبوب الخارجي على أربعة مستويات: صفر واثنان وأربعة وستة. تعديل النموذج الأساسي وفقا للتغيرات في هذه المعلمات الهيكلية. كرر الخطوات من 1.1 إلى 2.5 10 مرات للحصول على البيانات في الجدول 1. يمكن أن نرى من الجدول أن المعلمات الهيكلية الثلاثة لها تأثيرات معينة على الانحراف المعياري لمعدل التدفق.
3. تصميم التجربة المتعامدة وتحليل النطاق
- قم بتشغيل برنامج التحليل الإحصائي. انقر فوق البيانات وأنشئ في "التصميم المتعامد".
- أدخل pipe_number في "اسم العامل" و A في "تسمية العامل". انقر فوق إضافة وتعريف قيم لتعيين أربعة مستويات لعدد الأنابيب. انقر فوق متابعة وارجع إلى نافذة "إنشاء تصميم متعامد".
- أدخل whole_number في "اسم العامل" و B في "تسمية العامل". انقر فوق إضافة وتعريف قيم لتعيين أربعة مستويات لعدد الثقوب. انقر فوق متابعة وارجع إلى نافذة "إنشاء تصميم متعامد".
- أدخل cumulative_number في "اسم العامل" و C في "تسمية العامل". انقر فوق إضافة وتعريف قيم لتعيين أربعة مستويات لعدد الزيادات. انقر فوق متابعة وارجع إلى نافذة "إنشاء تصميم متعامد".
- انقر فوق إنشاء ملف بيانات جديد لإنشاء 16 عينة صفيف. انقر فوق طريقة عرض المتغيرات لتحديد الاسمي في "القياس" والإدخال في "الدور". أعد تسميته باسم "standard_deviation×100000".
- كرر الخطوات من 1.1 إلى 2.5 مع نقاط العينة أعلاه ؛ يتم ملء الانحرافات المعيارية ال 16 الناتجة مضروبة في 100000 في قائمة العينات لتحسينها لاحقا.
- انقر فوق تحليل وأحادي المتغير في "النموذج الخطي العام". املأ standard_deviation×100000 في "المتغير التابع" pipe_number ، hole_number ، cumulative_number في "العامل (العوامل) الثابتة". انقر على مصطلحات النموذج والبناء. تغيير التفاعل إلى التأثيرات الرئيسية. املأ A و B و C في "النموذج". انقر فوق متابعة وارجع إلى نافذة "Univariate".
- انقر فوق EM يعني واملأ A و B و C في "عرض الوسائل ل". انقر فوق متابعة وارجع إلى نافذة "Univariate".
- انقر OK واحصل على نتيجة التحسين ؛ يتوافق الحد الأدنى لقيمة العمود "المتوسط" في الجدول مع المتغير الأمثل. انقر نقرا مزدوجا فوق الجدول ، وأدخل في نافذة "Pivot Table" ، وانقر فوق تحرير ، وانقر فوق شريط في "إنشاء رسم بياني" لإنشاء الرسم البياني.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
بعد البروتوكول ، كانت الأجزاء الثلاثة الأولى هي الأكثر أهمية ، والتي تشمل النمذجة والربط والمحاكاة ، كل ذلك من أجل الحصول على الانحراف المعياري لمعدل التدفق. بعد ذلك ، أكملنا تحسين هيكل الصندوق المنفيس من خلال التجارب المتعامدة وتحليل النطاق. النموذج المستخدم في البروتوكول هو نموذج المربع المرجعي ، وهو النموذج الأولي الذي تم الحصول عليه من المرجع. يوضح الشكل 4 نتيجة التدفق الانسيابي لنموذج الصندوق المرجعي للتنفيس ، ويبين الشكل 5 نتيجة التدفق الانسيابي للصندوق المنفيس ، وهو أحد النماذج المستخدمة لتحليل الحساسية. نموذج الصندوق ذو التهوية هذا هو النموذج رقم واحد في الجدول 1. التدفقات الانسيابية هي مسارات حركة المائع لتصور تدفق السائل داخل الصندوق ذي التهوية. كما هو موضح في الشكل 4 والشكل 5 ، فإن التدفق الانسيابي للصندوق الأخير ذو التهوية يكون أكثر فوضى من التدفق الأول بسبب الهيكل الداخلي للصندوق ذي التهوية. يوضح Figure 6 نتيجة توزيع سرعة التدفق داخل نموذج صندوق التهوية المرجعي ، ويبين الشكل 7 نتيجة توزيع سرعة التدفق داخل نموذج الصندوق المنفيس ، وهو أحد النماذج المستخدمة لتحليل الحساسية. كما هو موضح في الشكل 6 والشكل 7 ، فإن معدل التدفق داخل الصندوق المهواة ، وهو أحد النماذج المستخدمة لتحليل الحساسية ، يكون أكثر تفاوتا.
من أجل فهم التوزيع الانسيابي داخل صندوق التهوية بشكل أكثر سهولة ، أنشأنا طائرة على بعد 0.6 متر من قاع الصندوق ذي التهوية. يتم استخدام معدل تدفق كل عقدة على مستوى الإخراج لحساب الإحصاء الرياضي. يتم حساب الانحراف المعياري من خلال 
حيث xiو μ يمثلان معدل التدفق لكل عقدة ومتوسط معدل التدفق لجميع العقد ، على التوالي. يوضح الجدول 1 الانحرافات المعيارية لمعدلات التدفق لمجموعات 10 من الصندوق المنفيس المستخدم لتحليل الحساسية ، بما في ذلك النموذج المرجعي. يمكن ملاحظة أن المتغيرات الهيكلية الثلاثة لها تأثير معين على الانحراف المعياري لمعدل التدفق ، وعدد الأنابيب له التأثير الأكبر على الانحراف المعياري لمعدل التدفق. يمثل الانحراف المعياري الكبير فرقا كبيرا بين معظم معدلات التدفق ومتوسط معدل التدفق ؛ يعني الانحراف المعياري الصغير أن معدلات التدفق هذه قريبة من متوسط معدل التدفق الخاص بها. وبالتالي ، يمكن ملاحظة أن تغيير الهيكل الداخلي للصندوق المنفيس يمكن أن يغير تدفقه الداخلي ويجعل الانسيابية أكثر تجانسا.
عند تصميم التجربة المتعامدة ، هناك ثلاثة متغيرات تصميم في هذه المقالة: عدد الأنابيب ، وعدد الثقوب في الأنابيب الوسطى ، وعدد كل زيادة من الداخل إلى الأنبوب الخارجي. كل من هذه المتغيرات الثلاثة له أربعة مستويات. كما هو موضح في الجدول 2 ، تم الحصول على 16 مجموعة من نقاط التصميم التجريبية عن طريق التصميم التجريبي المتعامد. تم حساب الانحرافات المعيارية بواسطة برنامج المحاكاة. من عدد نقاط العينة التي تم إخراجها ، يمكن ملاحظة أن التصميم التجريبي المتعامد يمكن أن يحقق الغرض من توفير أقصى تغطية لقيمة المعلمة بأقل عدد من حالات الاختبار.
في النهاية ، يتم استخدام طريقة تحليل النطاق كطريقة تحسين للعثور على تركيبة معلمات الهيكل الأمثل. يوضح الشكل 8 نتيجة التحسين للمعلمة الهيكلية لعدد الأنابيب. من هذا ، يمكننا أن نرى أنه يتم الحصول على الحد الأدنى للقيمة عندما يكون عدد الأنابيب 14. يوضح الشكل 9 نتيجة التحسين للمعلمة الهيكلية حول عدد الثقوب في الأنابيب الوسطى. من هذا ، يمكننا أن نرى أنه يتم الحصول على الحد الأدنى للقيمة عندما يكون عدد الثقوب في الأنابيب الوسطى 14. يوضح الشكل 10 نتيجة التحسين للمعلمة الهيكلية حول عدد الزيادات من الداخل إلى الأنبوب الخارجي. من هذا ، يمكننا أن نرى أنه يتم الحصول على الحد الأدنى للقيمة عندما يكون عدد الزيادات من الداخل إلى الأنبوب الخارجي أربعة. يوضح التحليل أعلاه أن التركيبة المثلى هي "pipe_number 14 ، hole_number 14 ، cumulative_number 4". لتأكيد الدقة ، تم تحليل الحالة المثلى بواسطة برنامج المحاكاة. يوضح الشكل 4 والشكل 11 التدفق الانسيابي للنموذج المرجعي مقابل النموذج الأمثل. يوضح الشكل 6 والشكل 12 توزيع سرعة التدفق داخل النموذج المرجعي مقابل النموذج الأمثل. يوضح الجدول 3 مقارنة بين نتائج التحسين ونتائج النموذج المرجعي. يمكن ملاحظة أن الانحراف المعياري المحسوب من النموذج الأمثل أقل مقارنة بالانحراف المعياري للنموذج المرجعي. يوضح الجدول 4 الزيادة في عدد الثقوب من أربعة إلى ستة ، مع تغيير طفيف في الانحراف المعياري ، والنموذج رقم ثلاثة هو النموذج الأمثل من منظور تكاليف المعالجة. في هذه الورقة ، تم تحسين البيئة الداخلية للصندوق ذو التهوية من خلال تحسين هيكله ، ويتم قياس جودة بيئته الداخلية بالانحراف المعياري ؛ كلما كان الانحراف المعياري أصغر ، كلما كان تدفق الهواء داخل الصندوق ذو التهوية أكثر تجانسا ، مما يشير إلى أن طريقة التحسين المعتمدة في هذا العمل فعالة ومجدية.
جدول المواد. يوضح الجدول التكوينات الأساسية لهذه الدراسة ، والتي تتضمن الكمبيوتر الضروري مع وحدة معالجة رسومات عالية الأداء (GPU) وثلاثة برامج من SolidWorks و Ansys-Workbench و SPSS.
الجدول 1: تحليل حساسية المعلمة. يوضح الجدول الانحرافات المعيارية لمعدلات التدفق ل 10 مجموعات من الصندوق المنفيس المستخدم لتحليل الحساسية. الرجاء الضغط هنا لتنزيل هذا الجدول.
الجدول 2: نقاط التصميم التجريبية. الرجاء الضغط هنا لتنزيل هذا الجدول.
الجدول 3: مقارنة بين نتائج التحسين ونتائج النموذج المرجعي. الرجاء الضغط هنا لتنزيل هذا الجدول.
الجدول 4: مقارنة العدد التراكمي ل 14 أنبوبا و 14 حفرة. الرجاء الضغط هنا لتنزيل هذا الجدول.
الشكل 1: نموذج 3D للصندوق المهواة. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 2: مخطط الشبكة. أ: شبكة النصف السفلي من صندوق التهوية، ب: شبكة النصف العلوي من صندوق التهوية، ج: شبكة الأنبوب. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 3: اختبار استقلالية الشبكة. المحور X هو العدد الإجمالي المختلف للشبكات في نموذج الشبكة ، والمحور Y هو الانحراف المعياري. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 4: تبسيط تدفق نموذج الصندوق ذي التهوية المرجعية. الرجاء الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.
الشكل 5: تبسيط تدفق نموذج الصندوق ذي التهوية. يوضح الشكل نتيجة انسيابية الصندوق المنفيس ، وهو نموذج يستخدم لتحليل الحساسية. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 6: توزيع سرعة التدفق داخل نموذج الصندوق المرجعي ذو التهوية. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.
الشكل 7: توزيع سرعة التدفق داخل نموذج الصندوق ذي التهوية. يوضح الشكل نتيجة توزيع سرعة التدفق داخل الصندوق ذي التهوية ، وهو نموذج يستخدم لتحليل الحساسية. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 8: نتائج التحسين لعدد الأنابيب. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.
الشكل 9: نتائج التحسين لعدد الثقوب في الأنابيب الوسطى. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.
الشكل 10: نتيجة التحسين لعدد الزيادات من الداخل إلى الأنبوب الخارجي. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.
الشكل 11: تبسيط تدفق نموذج الصندوق المحسن للتنفيس. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 12: توزيع سرعة التدفق داخل نموذج الصندوق المحسن للتنفيس. الرجاء الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
نظرا لأدائها العالي وهيكلها المعقد ، قمنا في هذه الدراسة ببناء صندوق جيد التهوية يعتمد على برامج النمذجة. قمنا بتحليل التدفق الداخلي بواسطة برنامج المحاكاة. يعرف برنامج المحاكاة بقدراته المتقدمة في النمذجة الفيزيائية ، والتي تشمل نمذجة الاضطرابات ، والتدفقات أحادية ومتعددة الأطوار ، والاحتراق ، ونمذجة البطارية ، وتفاعل بنية السوائل ، وغير ذلك الكثير. طريقة اختيار العينة المستخدمة في هذا البحث هي طريقة التصميم التجريبي المتعامد ، وهي مناسبة للإنتاج الميكانيكي والمجالات الأخرى بسبب طريقتها العلمية ، والتشغيل البسيط ، وفائدة توفير التكاليف ، والتأثير الملحوظ. يمكن لطريقة تحليل النطاق الحصول على العوامل الأولية والثانوية والمزيج الأمثل للتجربة من خلال عملية حسابية بسيطة.
تعتمد النتائج على بعض المكونات الهامة لهذا الإعداد داخل البروتوكول. أولا ، عند إنشاء نموذج 3D لحزمة البطارية ، فإن إعطاء كل جسم وسطح في النموذج اسما يسهل التعرف عليه هو خطوة أساسية لإضافة المواد لاحقا ، وإنشاء واجهة شبكية ، وتحديد شروط الحدود. ثانيا ، قبل تحديد المعلمات الهيكلية المهمة ، يجب إجراء تحليل حساسية المعلمات لتحديد المعلمات الهيكلية الأكثر أهمية. ثالثا ، عند تشغيل كل برنامج ، من الضروري ضبط كل معلمة بدقة ، وخاصة وحدة المعلمة.
بعد استيراد نموذج الشبكة ، يجب على المرء استكشاف أخطاء نموذج الشبكة وإصلاحها والنقر فوق تحقق للتحقق مما إذا كانت الشبكة لها حجم سالب. إذا كانت هناك أي مشكلة في الشبكة المقسمة أو إعدادات النموذج ، فستظهر رسالة خطأ. القيد الرئيسي لهذه الدراسة هو أن نموذج 3D المستخدم تم بناؤه بعد تبسيط الصندوق الحقيقي للتنفيس. سيكون التدفق الداخلي للصندوق المحاكي للتهوية مختلفا قليلا عن التدفق الحقيقي. يمكن أن تكون النتيجة قريبة من الواقع ، ولكن ليس بالضبط. تنطبق طريقة التحسين هذه على المعلمات الهيكلية من نوع عدد صحيح ، مثل عدد الأنابيب والثقوب. بالمقارنة مع الخوارزمية الجينية وتحسين خوارزمية التلدين ، فإن نتائج التحسين في هذه الورقة أدنى من نتائج تحسين الخوارزمية. ومع ذلك ، في الهندسة ، يكون هيكل المعلمات من النوع الصحيح أكثر ملاءمة لإنتاج المنتجات.
لا يمكن لهذه التقنية الحصول على بيانات اختبار ومنتجات اختبار عالية الجودة وعالية الموثوقية فحسب ، بل تساعدنا أيضا في إتقان العلاقة الداخلية بين موضوعات الاختبار في تحليل بيانات الاختبار. سيساعد هذا البروتوكول في إنشاء طريقة تحسين مع مراعاة استهلاك الطاقة وأداء الصندوق ذي التهوية في نفس الوقت ، ويمكن استخدامه على نطاق واسع لإطالة وقت تخزين الأطعمة الطازجة. يمكن أيضا استخدام هذه التقنية في التصميم الميكانيكي والتصميم المعماري وغيرها من المجالات.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
ليس لدى المؤلفين ما يكشفون عنه.
Acknowledgments
يتم دعم هذا البحث من قبل مكتب ونتشو للعلوم والتكنولوجيا في الصين (مشروع ونتشو الرئيسي للابتكار العلمي والتكنولوجي بموجب المنحة رقم ZG2020029). يتم تمويل البحث من قبل جمعية ونتشو للعلوم والتكنولوجيا مع منحة رقم KJFW09. تم دعم هذا البحث من قبل برنامج العلوم والبحوث الرئيسية لبلدية ونتشو (ZN2022001).
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Hardware | |||
| NVIDIA GPU | NVIDIA | N/A | An NVIDIA GPU is needed as some of the software frameworks below will not work otherwise. https://www.nvidia.com |
| Software | |||
| Ansys-Workbench | ANSYS | N/A | Multi-purpose finite element method computer design program software.https://www.ansys.com |
| SOLIDWORKS | Dassault Systemes | N/A | SolidWorks provides different design solutions, reduces errors in the design process, and improves product quality www.solidworks.com |
| SPSS | IBM | N/A | Software products for statistical analytical operations, data mining, predictive analysis, and decision support tasks software.https://www.ibm.com |
References
- Villa-Rodriguez, J. A., et al. Maintaining antioxidant potential of fresh fruits and vegetables after harvest. Critical Reviews in Food Science and Nutrition. 55 (6), 806-822 (2015).
- Mozaffari, H., Lafrenière, J., Conklin, A. Does eating more variety of fruits and vegetables reduce risk of cancer? Findings from a systematic review and meta-analysis. Current Developments in Nutrition. 4, 339-339 (2020).
- Wu, S., Fisher-Hoch, S. P., Reininger, B. M., Lee, M., McCormick, J. B. Fruit and vegetable intake is inversely associated with cancer risk in Mexican-Americans. Nutrition and Cancer. 71 (8), 1254-1262 (2019).
- Nan, M., Xue, H., Bi, Y. Contamination, detection and control of mycotoxins in fruits and vegetables. Toxins. 14 (5), 309 (2022).
- Alothman, M., Bhat, R., Karim, A. A. Effects of radiation processing on phytochemicals and antioxidants in plant produce. Trends in Food Science & Technology. 20 (5), 201-212 (2009).
- Ayala-Zavala, J. F., Wang, S. Y., Wang, C. Y., González-Aguilar, G. A. Effect of storage temperatures on antioxidant capacity and aroma compounds in strawberry fruit. LWT-Food Science and Technology. 37 (7), 687-695 (2004).
- Piljac-Žegarac, J., Šamec, D. Antioxidant stability of small fruits in postharvest storage at room and refrigerator temperatures. Food Research International. 44 (1), 345-350 (2011).
- Lal Basediya, A., Samuel, D. V. K., Beera, V. Evaporative cooling system for storage of fruits and vegetables - a review. Journal of Food Science and Technology. 50 (3), 429-442 (2013).
- Sandhya, Modified atmosphere packaging of fresh produce: Current status and future needs. LWT-Food Science and Technology. 43 (3), 381-392 (2010).
- Bassey, E. J., Cheng, J. H., Sun, D. W. Novel nonthermal and thermal pretreatments for enhancing drying performance and improving quality of fruits and vegetables. Trends in Food Science & Technology. 112, 137-148 (2021).
- Mieszczakowska-Frąc, M., Celejewska, K., Płocharski, W. Impact of innovative technologies on the content of vitamin C and its bioavailability from processed fruit and vegetable products. Antioxidants. 10 (1), 54 (2021).
- Xue, Z., Li, J., Yu, W., Lu, X., Kou, X. Effects of nonthermal preservation technologies on antioxidant activity of fruits and vegetables: A review. Food Science and Technology International. 22 (5), 440-458 (2016).
- Olaimat, A. N., Holley, R. A. Factors influencing the microbial safety of fresh produce: a review. Food Microbiology. 32 (1), 1-19 (2012).
- Caleb, O. J., Mahajan, P. V., Al-Said, F. A. J., Opara, U. L. Modified atmosphere packaging technology of fresh and fresh-cut produce and the microbial consequences-a review. Food and Bioprocess Technology. 6 (2), 303-329 (2013).
- Waghmare, R. B., Mahajan, P. V., Annapure, U. S. Modelling the effect of time and temperature on respiration rate of selected fresh-cut produce. Postharvest Biology and Technology. 80, 25-30 (2013).
- Praeger, U., et al. Airflow distribution in an apple storage room. Journal of Food Engineering. 269, 109746 (2020).
- Praeger, U., et al. Influence of room layout on airflow distribution in an industrial fruit store. International Journal of Refrigeration. 131, 714-722 (2021).
- Berry, T. M., Delele, M. A., Griessel, H., Opara, U. L. Geometric design characterisation of ventilated multi-scale packaging used in the South African pome fruit industry. Agricultural Mechanization in Asia, Africa, and Latin America. 46 (3), 34-42 (2015).
- Dehghannya, J., Ngadi, M., Vigneault, C. Mathematical modeling of airflow and heat transfer during forced convection cooling of produce considering various package vent areas. Food Control. 22 (8), 1393-1399 (2011).
- Dehghannya, J., Ngadi, M., Vigneault, C. Transport phenomena modelling during produce cooling for optimal package design: thermal sensitivity analysis. Biosystems Engineering. 111 (3), 315-324 (2012).
- Delele, M. A., et al. Combined discrete element and CFD modelling of airflow through random stacking of horticultural products in vented boxes. Journal of Food Engineering. 89 (1), 33-41 (2008).
- Ilangovan, A., Curto, J., Gaspar, P. D., Silva, P. D., Alves, N. CFD modelling of the thermal performance of fruit packaging boxes-influence of vent-holes design. Energies. 14 (23), 7990 (2021).
- Gong, Y. F., Cao, Y., Zhang, X. R. Forced-air precooling of apples: Airflow distribution and precooling effectiveness in relation to the gap width between tray edge and box wall. Postharvest Biology and Technology. 177, 111523 (2021).
- Guo, R., Li, L. Heat dissipation analysis and optimization of lithium-ion batteries with a novel parallel-spiral serpentine channel liquid cooling plate. International Journal of Heat and Mass Transfer. 189, 122706 (2022).
- Chen, J., et al. Optimization of geometric parameters of hydraulic turbine runner in turbine mode based on the orthogonal test method and CFD. Energy Reports. 8, 14476-14487 (2022).
- Yun-De, S., Hai-Dong, Q., Sun, B., Li, Z. Z., Cao, K. B. Flow analysis of fresh vegetable box based on multiporosity material. International Journal of Education and Management Engineering. 2 (1), 29 (2012).
- Elansari, A. M., Mostafa, Y. S. Vertical forced air pre-cooling of orange fruits on bin: Effect of fruit size, air direction, and air velocity. Journal of the Saudi Society of Agricultural Sciences. 19 (1), 92-98 (2020).
