Summary
כאן, אנו מציגים את שיטת ניתוח הטווח כדי לייעל את נקודות הדגימה שנוצרו על ידי תכנון ניסוי אורתוגונלי כדי להבטיח כי מזון טרי יכול להיות מאוחסן בקופסה מאווררת במשך זמן רב על ידי ויסות דפוס זרימת האוויר.
Abstract
מחקר זה נועד לפתור את הבעיות של זרימת אוויר, כאוס וביצועים ירודים בתיבה מאווררת הנגרמת על ידי התפלגות הטרוגנית של זרימת האוויר באמצעות תכנון המבנה הפנימי של התיבה המאווררת עם צריכת אנרגיה קבועה. המטרה הסופית היא לחלק באופן שווה את זרימת האוויר בתוך הקופסה המאווררת. ניתוח רגישות בוצע עבור שלושה פרמטרים מבניים: מספר הצינורות, מספר החורים בצינור האמצעי, ומספר כל תוספת מהצינור הפנימי לחיצוני. בסך הכל נקבעו 16 קבוצות מערך אקראיות של שלושה פרמטרים מבניים עם ארבע רמות באמצעות תכנון ניסויי אורתוגונלי. תוכנה מסחרית שימשה לבניית מודל תלת ממדי עבור נקודות הניסוי שנבחרו, ונתונים אלה שימשו להשגת מהירויות זרימת האוויר, אשר שימשו לאחר מכן כדי לקבל את סטיית התקן של כל נקודת ניסוי. על פי ניתוח הטווח, השילוב של שלושת הפרמטרים המבניים היה אופטימלי. במילים אחרות, נקבעה שיטת אופטימיזציה יעילה וחסכונית בהתחשב בביצועי הקופסה המאווררת, וניתן היה להשתמש בה באופן נרחב כדי להאריך את זמן האחסון של מזון טרי.
Introduction
ירקות ופירות טריים תופסים שיעור גבוה של צריכת מזון אנושית, לא רק משום שיש להם טעם טוב וצורה אטרקטיבית, אלא גם משום שהם מועילים מאוד לאנשים להשיג תזונה ולשמור על הבריאות1. מחקרים רבים הראו כי פירות וירקות טריים ממלאים תפקיד ייחודי במניעת מחלות רבות 2,3. בתהליך האחסון של פירות וירקות טריים, פטריות, אור, טמפרטורה ולחות יחסית הם הסיבות החשובות להידרדרותם 4,5,6,7,8. תנאים חיצוניים אלה משפיעים על איכות הפירות והירקות הטריים המאוחסנים על ידי השפעה על חילוף החומרים הפנימי או תגובות כימיות9.
טכנולוגיות טיפול נפוצות בפירות וירקות כוללות שימור לא תרמי ותרמי. ביניהם, טיפול מקדים תרמי יש השפעה חיובית על תהליך הייבוש, אבל זה יכול להיות גם השפעות שליליות על איכות המוצר, כגון אובדן של חומרים מזינים, שינוי טעם וריח, ושינוי צבע10,11. לכן, בשנים האחרונות, שימור לא תרמי של מוצרים קיבל תשומת לב מנקודת מבט מחקרית כדי לענות על הביקוש של הצרכנים למוצרים טריים. כיום, יש בעיקר עיבוד קרינה, שדה חשמלי פועם, עיבוד אוזון, ציפויים אכילים, פחמן דו חמצני פאזה צפופה, וטכנולוגיות שימור לא תרמיות אחרות לאחסון פירות וירקות, אך לטכנולוגיות אלה יש לעתים קרובות חסרונות, כגון דרישת ציוד גדול, מחיר גבוה ועלות השימוש12. לכן, תכנון מבנה פשוט, עלות נמוכה, ושליטה נוחה על ציוד השימור הוא משמעותי מאוד לתעשיית המזון.
בסביבת האחסון של פירות וירקות, מערכת זרימת אוויר נכונה מסייעת לחסל את החום שנוצר על ידי המוצר עצמו, להפחית את שיפוע הטמפרטורה ולשמור על הטמפרטורה והלחות בחלל בו הוא נמצא. זרימת אוויר תקינה מונעת גם ירידה במשקל עקב נשימה וזיהומים פטרייתיים13,14,15. מחקרים רבים נערכו על זרימת אוויר בתוך מבנים שונים. Praeger et al.16,17 מדדו את מהירות הרוח במיקומים שונים תחת עוצמות הפעלה שונות של מאווררים במחסן באמצעות חיישנים ומצאו שיכול להיות הבדל גדול עד פי שבעה במהירות האוויר עקב גבהים אנכיים שונים, ומהירות האוויר בכל מיקום הייתה בקורלציה חיובית עם כוח הפעולה של המאוורר. יתר על כן, מחקר בחן את ההשפעה של סידור המטען ומספר המאווררים על זרימת האוויר, והגיע למסקנה כי הגדלת המרחק של חלק מעמדות המאווררים ובחירה מושכלת של מספר המאווררים סייעו בשיפור האפקט. ברי ועמיתיו חקרו את ההשפעה של זרימת אוויר בסביבות אחסון פירות שונות על פיזור הפיוניות בקופסאות אריזה. באמצעות תוכנת סימולציה, Dehghannya et al.19,20 חקרו את מצב זרימת האוויר של אוויר טרום קר כפוי באריזה עם אזורי אוורור, כמויות ומיקומי הפצה שונים על דופן האריזה, והשיגו את ההשפעה הלא ליניארית של כל פרמטר על מצב זרימת האוויר. Delele et al.21 יישמו מודל חישובי של דינמיקת נוזלים כדי לחקור את ההשפעה של מוצרים המופצים באופן אקראי בצורות שונות של קופסאות אוורור על זרימת האוויר. הם מצאו שלגודל המוצר, לנקבוביות וליחס חורי הקופסה הייתה השפעה גדולה יותר על זרימת האוויר, בעוד שלמילוי אקראי הייתה השפעה קטנה יותר. Ilangovan et al.22 חקרו דפוסי זרימת אוויר והתנהגות תרמית בין שלושת מבני האריזה והשוו את התוצאות עם מודלים מבניים ייחוס. התוצאות הראו שפיזור החום בקופסה לא היה אחיד בגלל המיקומים והעיצובים השונים של פתח האוורור. Gong et al.23 ייעל את רוחב הרווח בין קצה המגש לדופן המיכל.
הטכניקות המשמשות במאמר זה כוללות שיטות סימולציה ואופטימיזציה. העיקרון של הראשון הוא שהמשוואות השולטות היו דיסקרטיות ונפתרו מספרית באמצעות שיטת הנפח הסופי21. שיטת האופטימיזציה המשמשת במאמר זה מכונה אופטימיזציה אורתוגונלית24. הבדיקה האורתוגונלית היא שיטת ניתוח רב-גורמית ורב-שכבתית טיפוסית. הטבלה האורתוגונלית הבנויה בשיטה זו מכילה נקודות מייצגות המפוזרות באופן אחיד בחלל העיצובי, אשר יכולות לתאר ויזואלית את החלל העיצובי כולו ולהיבחן. כלומר, פחות נקודות מייצגות את מבחן הפקטור המלא, וחוסכות מאוד זמן, כוח אדם, חומר ומשאבים כספיים. המבחן האורתוגונלי נמצא בשימוש נרחב בתכנון ניסויים בתחומי מערכות כוח, כימיה, הנדסה אזרחית וכו '25.
מטרת מחקר זה היא לתכנן ולמטב קופסת אוורור בעלת ביצועים גבוהים. קופסה מאווררת יכולה להיות מוגדרת כקופסה מקורית הכוללת מכשיר בקרת גז המפזר את הגז באופן אחיד בקופסה. אחידות מהירות מתייחסת לאופן שבו האוויר זורם באופן שווה דרך התיבה המאווררת. Yun-De et al.26 הראו בעבר כי לתכונה של חומר רב-נקבובי יש השפעה חשובה על אחידות המהירות של קופסת ירקות טריים. בחלק מהניסויים, מליאה או תא מווסת הושארו הן בחלק העליון והן בחלק התחתון של תא הבדיקה כדי להבטיח התפלגות הומוגנית של אוויר מאולץ או מושרה27. קופסת האוורור המעוצבת בנייר זה מכילה מערכים של צינורות עם חורי זיגזג. שליטה בפיזור זרימת האוויר בתיבה המאווררת היא אסטרטגיית השימור העיקרית. ישנם שני פתחי אוויר בגודל שווה הממוקמים במקביל בצד שמאל וימין של התיבה המאווררת, ושקע מוגדר בצד העליון של התיבה. תכנון המבנה הפנימי של קופסה מאווררת הוא המפתח למחקר זה. במילים אחרות, מספר הצינורות והחורים הוא פרמטר חשוב לשינוי המבנה הפנימי של התיבה המאווררת. מודל הייחוס כולל 10 צינורות. לשני הצינורות האמצעיים יש 10 חורים כל אחד, אשר מדורגים על פני הצינורות. מספר החורים מהצינור האמצעי לחיצוני גדל בשניים בכל פעם.
במילים אחרות, כאשר אנו שומרים על ירקות, פירות ומוצרים טריים אחרים, זרימת אוויר רציפה ויציבה יכולה להפחית את הנשימה של מוצרים, להפחית אתילן וחומרים מזיקים אחרים לשימור המוצר, ולהפחית את הטמפרטורה המיוצרת על ידי המוצרים עצמם. בשל הפרמטרים השונים של התיבה המאווררת, לא קל להשיג את מצב זרימת האוויר הנדרש, אשר ישפיע על תכונת השימור של התיבה המאווררת. לכן, הפרויקט לוקח את אחידות מהירות זרימת האוויר הפנימית של התיבה המאווררת כיעד הבקרה. בוצע ניתוח רגישות לפרמטרים המבניים של התיבה המאווררת. הדגימות נבחרו על ידי תכנון ניסויי אורתוגונלי. השתמשנו בניתוח טווח כדי לייעל את השילוב של שלושת הפרמטרים המבניים. בינתיים, אנו מאמתים את הכדאיות של תוצאות האופטימיזציה.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. עיבוד טרום סימולציה
הערה: בהתחשב במערכי הצינורות, החצי התחתון התלת-ממדי והחצי העליון של דגמי הקופסאות המאווררות נקבעים באמצעות תוכנה תלת-ממדית ושמירתם כקבצים X_T, הממדים הכוללים מוצגים באיור 1. תצורות מוצגות בטבלת החומרים.
- הפעל את תוכנת הסימולציה וגרור את רכיב Mesh מ- "Component Systems" לחלון "Project Schematic". קרא לזה "התחתית". לחץ לחיצה ימנית על גיאומטריה ולחץ על עיון כדי לייבא את הקובץ X_T התחתון.
- לחץ לחיצה ימנית על Geometry, לחץ על New DesignModeler Geometry כדי להיכנס לחלון "Mesh-Designmodeler" ולחץ על Generate כדי להציג את הדגם התחתון.
- לחצו לחיצה ימנית על המשטח העליון ולחצו על 'בחירה בשם ' כדי לשנות את שמו ל-"vented box_upper". בחר מסנן בחירה: גופים. לחצו לחיצה ימנית על הדגם התחתון כדי לבחור בבחירה בעלת השם ולשנות את שמה ל"תחתית".
- בחר מסנן בחירה: פנים והעבר את "מצב בחירה" לתיבה Select. בחר את כל המשטחים הפנימיים, לחץ באמצעות לחצן העכבר הימני כדי לבחור את הבחירה בעלת השם ושנה את שמה ל- "surfaces_external פנימי", המוגדר כממשקי mech מאוחר יותר. חזור לחלון הראשוני.
- לחצו פעמיים על רשת השינוי התחתונה. הזן את החלון "Meshing". שנה את "העדפות פיזיות" ממכניות ל- CFD. לחצו על 'עדכן' ליצירת מודל רשת שינוי. חזור לחלון הראשוני.
- גרור את רכיב Meshמ- "Component Systems" לחלון "Project Schematic". קרא לזה "למעלה". לחץ לחיצה ימנית על גיאומטריה ולחץ על עיון כדי לייבא את קובץ X_T העליון.
- לחץ לחיצה ימנית על Geometry ולחץ על New DesignModeler Geometry כדי להיכנס לחלון "Mesh-Designmodeler". לחץ על צור כדי להציג את הדגם העליון.
- לחצו לחיצה ימנית על המשטח התחתון ולחצו על 'בחירה בעל שם ' כדי לשנות את שמו ל-"vented box_lower". בחר מסנן בחירה: גופים. לחץ לחיצה ימנית על הדגם העליון כדי לבחור את הבחירה בעלת השם ולשנות את שמו ל"עליון".
- בחר מסנן בחירה: פרצופים. לחצו לחיצה ימנית על המשטח העליון ולחצו על 'בחירה בשם ' כדי לשנות את שמו לשקע. חזור לחלון הראשוני.
- לחצו פעמיים על רשת השינוי של החלק העליון. הזן את החלון "Meshing". שנה את "העדפות פיזיות" ממכניות ל- CFD. לחץ לחיצה ימנית על רשת שינוי כדי לבחור את גודל ב "הוספה". בחר מסנן בחירה: גופים. בחר את הדגם העליון והקלד 18 ב "גודל אלמנט". לחץ על עדכן. חזור לחלון הראשוני.
- גרור את רכיב Mesh מ- "Component Systems" לחלון "Project Schematic". קרא לו הצינור. יבא את קובץ X_T הצינורות על-ידי לחיצה על גיאומטריה.
- הזן את החלון "Mesh-Designmodeler". לחץ על צור כדי להציג שוב את דגם הצינור.
- בחר את שני פאות הקצה של הצינור ותייג אותם כ- "inlet1" ו- "inlet2", ואת הצינור לפי בחירת גוף ותיוג כצינור.
- כל המשטחים הפנימיים לפי בחירת תיבה מסומנים כ"surfaces_internal פנימיים", המוגדרים מאוחר יותר כממשקי רשת שינוי. חזור לחלון הראשוני.
- לחצו פעמיים על רשת הצינור. הזן את החלון "Meshing". שנה את "העדפות פיזיות" ממכניות ל- CFD. ניתן ליצור את מודל הרשת על ידי לחיצה על "עדכון". חזור לחלון הראשוני.
הערה: איור 2A מראה את הרשת של החצי התחתון של התיבה המאווררת, איור 2B מראה את הרשת של החצי העליון של התיבה המאווררת, ואיור 2C מראה את הרשת של הצינור. כפי שניתן לראות בתרשים 3, כאשר מספר הרשתות גדל מ-4,137,724 ל-5,490,081, השינויים בסטיית התקן נמוכים מ-0.0008. בהתחשב ביכולת החישוב והדיוק, הניתוח הבא מבוסס על מודל רשת עם 4,448,536 רשתות.
2. ניתוח סימולציה
הערה: הפעולות הבאות מתוארות בהתבסס על הרצף הכללי של ניתוח סימולציה מהתקנה לפתרון לתוצאה.
- גרור את רכיב הסימולציה לחלון "סכימת פרויקט". קשר שלושה רכיבי Mesh לרכיב הסימולציה ועדכן כדי להיכנס.
- ההתקנה
הערה: ה"התקנה" מורכבת מחמישה שלבים: כללי, מודלים, חומרים, תנאי אזור תא ותנאי גבול.- כללי: ודאו את תקפות דגם רשת השינוי. בדקו אם לרשת השינוי יש נפח שלילי. בחר יציב. עבור גורמי הרפיה, שיורית וסרגל זמן, בחר את ערכי ברירת המחדל. אם יש בעיה כלשהי ברשת המחולקת או בהגדרות הדגם, תופיע הודעת שגיאה.
- דגמים: היכנס לממשק ההגדרות של "דגם צמיג" כדי לבחור את דגם K-epsilon.
- חומרים: הגדר את חומר ה"אוויר".
- תנאי אזור התא: שנה את סוג אזור התא ל - Fluid.
- תנאי גבול
- המר את סוג box_upper המאוורר, box_lower המאוורר, surfaces_external הפנימי surfaces_internal הפנימי מברירת המחדל "קיר" ל"ממשק".
הערה: תוכנת סימולציה יוצרת מיד את "ממשקי רשת" לאחר סיום השלב לעיל. - פתחו את ממשקי Mesh והיכנסו לחלון "Create/Edit Mesh Interfaces". התאימו surfaces_external פנימית surfaces_internal פנימית. התאמה box_upper אוורור לאוורור box_lower. לבסוף, שני ממשקי הרשת נוצרים בתיבה המאווררת ונקראים ממשק1 וממשק2, בהתאמה.
- הגדר את מהירויות זרימת האוויר של כל הכניסות כ- 8.9525 מ"ש בחלון "כניסת מהירות" ואת לחץ המד של השקע כאפס בחלון "יציאת לחץ".
- המר את סוג box_upper המאוורר, box_lower המאוורר, surfaces_external הפנימי surfaces_internal הפנימי מברירת המחדל "קיר" ל"ממשק".
- תמיסה
- הגדר את סגנון אתחול הפתרון כאתחול רגיל לפני האתחול.
- הגדר את מספר האיטרציות כ- 2,000.
- לחץ על חשב כדי להתחיל את הסימולציה ולחזור לחלון הראשוני עד לסיום הסימולציה.
- תוצאות
- לחץ על תוצאות. הזן את החלון "CFD Post" ולחץ על סמל הזרם של בארגז הכלים.
- בחר שקע ב "התחל מ" ואחורה ב "כיוון". לחץ על החל כדי ליצור את דיאגרמת הזרימה הפנימית של התיבה המאווררת.
- לחץ על מישור ב"מיקום", בחר ZX מישור ב"שיטה" ובחר את ערך הקלט כ- 0.6. לחצו על 'החל' כדי ליצור את המישור באורך 0.6 מ' מהמשטח התחתון.
- לחץ על סמל קו המתאר בארגז הכלים , בחר מישור 1 ב"מיקומים", בחר מהירות ב"משתנה" ובחר מקומי ב"טווח". לחץ על החל כדי ליצור את מיתאר המהירות.
- יצא את נתוני קצב הזרימה עבור המישור שנוצר לעיל. רכוש את סטיית התקן של קצב הזרימה בתוכנת גיליונות אלקטרוניים (לדוגמה, Excel).
הערה: בוצע ניתוח רגישות של שלושה משתנים מבניים של התיבה המאווררת. מספר הצינורות כולל ארבע רמות: שמונה, 10, 12 ו-14. מספר החורים בצינורות האמצעיים כולל ארבע רמות: שמונה, 10, 12 ו-14. למספר כל תוספת מהצינור הפנימי לחיצוני יש ארבע רמות: אפס, שתיים, ארבע ושש. שנה את מודל הבסיס בהתאם לשינויים בפרמטרים מבניים אלה. חזור על שלבים 1.1 עד 2.5 10 פעמים כדי לקבל את הנתונים בטבלה 1. ניתן לראות מהטבלה כי לשלושת הפרמטרים המבניים יש השפעות מסוימות על סטיית התקן של קצב הזרימה.
3. תכנון ניסוי אורתוגונלי וניתוח טווח
- הפעל את תוכנת הניתוח הסטטיסטי. לחץ על נתונים וצור ב "עיצוב אורתוגונלי".
- הזן pipe_number ב"שם גורם" ו-A ב"תווית פקטור". לחץ על Add and Define Values כדי להגדיר ארבע רמות למספר הצינורות. לחץ על המשך וחזור לחלון "צור עיצוב אורתוגונלי".
- הזן whole_number ב"שם פקטור" ו-B ב"תווית פקטור". לחץ על Add and Define Values כדי להגדיר ארבע רמות למספר החורים. לחץ על המשך וחזור לחלון "צור עיצוב אורתוגונלי".
- הזן cumulative_number ב"שם פקטור" ו-C ב"תווית פקטור". לחץ על Add and Define Values כדי להגדיר ארבע רמות למספר ההפרשים הקבועים. לחץ על המשך וחזור לחלון "צור עיצוב אורתוגונלי".
- לחץ על צור קובץ נתונים חדש כדי ליצור 16 דוגמאות מערך. לחץ על תצוגת משתנה כדי לבחור נומינלי ב"מדידה" וקלט ב"תפקיד". שנה את שמו ל- "standard_deviation×100000".
- חזור על שלבים 1.1 עד 2.5 עם נקודות הדוגמה לעיל; 16 סטיות התקן המתקבלות כפול 100,000 מתמלאות ברשימת המדגם לצורך מיטוב מאוחר יותר.
- לחץ על נתח וחד-משתני ב"מודל ליניארי כללי". מלא standard_deviation×100000 לתוך "משתנה תלוי" ו pipe_number, hole_number, cumulative_number לתוך "גורם קבוע(ים)". לחץ על Model and Build terms. שנה אינטראקציה לאפקטים עיקריים. מלא A, B, C לתוך "מודל". לחץ על המשך וחזור לחלון "Univariate".
- לחץ על EM Means ומלא את A, B, C לתוך "Display Means For". לחץ על המשך וחזור לחלון "חד משתני".
- לחץ על אישור וקבל את תוצאת האופטימיזציה; הערך המינימלי של העמודה "ממוצע" בטבלה מתאים למשתנה האופטימלי. לחץ פעמיים על הטבלה, הזן בחלון "Pivot Table", לחץ על ערוך ולחץ על סרגל ב "צור גרף" כדי ליצור את ההיסטוגרמה.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
בעקבות הפרוטוקול, שלושת החלקים הראשונים היו החשובים ביותר, הכוללים מידול, רשת וסימולציה, הכל על מנת לקבל את סטיית התקן של קצב הזרימה. לאחר מכן, השלמנו את אופטימיזציה של המבנה של התיבה המאווררת באמצעות ניסויים אורתוגונליים וניתוח טווחים. המודל המשמש בפרוטוקול הוא מודל תיבת הייחוס, שהוא המודל הראשוני המתקבל מהייחוס. איור 4 מציג את התוצאה של הזרימה היעילה של מודל תיבת הייחוס המאווררת, ואיור 5 מראה את התוצאה של הזרימה היעילה של התיבה המאווררת, שהיא אחד המודלים המשמשים לניתוח רגישות. דגם קופסה מאווררת זה הוא דגם מספר אחת בטבלה 1. זרימות יעילות הן המסלולים של תנועת נוזל כדי לדמיין את זרימת הנוזל בתוך התיבה המאווררת. כפי שניתן לראות באיור 4 ובאיור 5, הזרימה היעילה של התיבה המאווררת האחרונה מבולגנת אף יותר מזו של הראשונה בשל המבנה הפנימי של התיבה המאווררת. Figure 6 מראה את התוצאה עבור התפלגות מהירות הזרימה בתוך מודל תיבת הייחוס המאווררת, ואיור 7 מראה את התוצאה עבור התפלגות מהירות הזרימה בתוך מודל התיבה המאווררת, שהוא אחד המודלים המשמשים לניתוח רגישות. כפי שניתן לראות באיור 6 ובאיור 7, קצב הזרימה בתוך הקופסה המאווררת, שהוא אחד המודלים המשמשים לניתוח רגישות, אינו אחיד יותר.
כדי להבין את הפיזור היעיל בתוך התיבה המאווררת בצורה אינטואיטיבית יותר, הקמנו מישור במרחק 0.6 מ' מתחתית התיבה המאווררת. קצב הזרימה של כל צומת במישור הפלט משמש לחישוב סטטיסטיקה מתמטית. סטיית התקן מחושבת לפי 
המיקום שבו xi ו-μ מייצגים את קצב הזרימה של כל צומת ואת קצב הזרימה הממוצע של כל הצמתים, בהתאמה. טבלה 1 מציגה את סטיות התקן של קצבי הזרימה עבור 10 קבוצות התיבה המאווררת המשמשת לניתוח רגישות, כולל מודל הייחוס. ניתן לראות כי לשלושת המשתנים המבניים יש השפעה מסוימת על סטיית התקן של קצב הזרימה, ולמספר הצינורות יש את ההשפעה הגדולה ביותר על סטיית התקן של קצב הזרימה. סטיית תקן גדולה מייצגת הבדל גדול בין רוב קצבי הזרימה לבין קצב הזרימה הממוצע שלהם; סטיית תקן קטנה פירושה שספיקות אלה קרובות לקצב הזרימה הממוצע שלהן. לפיכך, ניתן לראות כי שינוי המבנה הפנימי של התיבה המאווררת יכול לשנות את הזרימה הפנימית שלה ולהפוך את קו הזרימה הומוגני יותר.
בעת תכנון הניסוי האורתוגונלי, ישנם שלושה משתני תכנון במאמר זה: מספר הצינורות, מספר החורים בצינורות האמצעיים, ומספר כל תוספת מהצינור הפנימי לחיצוני. לכל אחד משלושת המשתנים הללו יש ארבע רמות. כפי שניתן לראות בטבלה 2, 16 קבוצות של נקודות תכנון ניסויי התקבלו על ידי תכנון ניסויי אורתוגונלי. סטיות התקן חושבו על ידי תוכנת סימולציה. ממספר נקודות המדגם שנלקחו, ניתן לראות כי תכנון הניסוי האורתוגונלי יכול להשיג את המטרה של מתן כיסוי ערך פרמטר מקסימלי עם המספר הנמוך ביותר של מקרי בדיקה.
בסופו של דבר, שיטת ניתוח הטווח משמשת כשיטת האופטימיזציה למציאת שילוב פרמטר המבנה האופטימלי. איור 8 מציג את תוצאת המיטוב עבור הפרמטר המבני של מספר הצינורות. מכאן, אנו יכולים לראות כי הערך המינימלי מתקבל כאשר מספר הצינורות הוא 14. איור 9 מציג את תוצאת המיטוב עבור הפרמטר המבני לגבי מספר החורים בצינורות האמצעיים. מכאן, אנו יכולים לראות כי הערך המינימלי מתקבל כאשר מספר החורים בצינורות האמצעיים הוא 14. איור 10 מציג את תוצאת המיטוב עבור הפרמטר המבני לגבי מספר המרווחים מהצינור הפנימי לחיצוני. מכאן, אנו יכולים לראות כי הערך המינימלי מתקבל כאשר מספר תוספות מבפנים לצינור החיצוני הוא ארבע. הניתוח לעיל מראה כי השילוב האופטימלי הוא "pipe_number 14, hole_number 14, cumulative_number 4". כדי לאשר את הדיוק, המקרה האופטימלי נותח על ידי תוכנת סימולציה. איור 4 ואיור 11 מציגים את זרימת הייעול של מודל הייחוס לעומת המודל הממוטב. איור 6 ואיור 12 מראים את התפלגות מהירות הזרימה בתוך מודל הייחוס לעומת המודל הממוטב. טבלה 3 מציגה השוואה בין תוצאות המיטוב לבין תוצאות מודל הייחוס. ניתן לראות כי סטיית התקן המחושבת מהמודל הממוטב נמוכה בהשוואה לסטיית התקן של מודל הייחוס. טבלה 4 מציגה את הגידול במספר החורים מארבעה לשישה, עם שינוי מועט בסטיית התקן, ודגם מספר שלוש הוא המודל הממוטב מבחינת עלויות עיבוד שבבי. במאמר זה, הסביבה הפנימית של התיבה המאווררת משופרת על ידי אופטימיזציה של המבנה שלה, ואיכות הסביבה הפנימית שלה נמדדת על ידי סטיית תקן; ככל שסטיית התקן קטנה יותר, כך זרימת האוויר בתוך התיבה המאווררת הומוגנית יותר, מה שמצביע על כך ששיטת האופטימיזציה שאומצה בעבודה זו יעילה וישימה.
טבלת חומרים. הטבלה מציגה את התצורות הבסיסיות עבור מחקר זה, הכולל את המחשב הדרוש עם יחידת עיבוד גרפי (GPU) בעלת ביצועים גבוהים ושלוש תוכנות של SolidWorks, Ansys-Workbench ו- SPSS.
טבלה 1: ניתוח רגישות פרמטרים. הטבלה מציגה את סטיות התקן של קצבי הזרימה עבור 10 קבוצות התיבה המאווררת המשמשת לניתוח רגישות. אנא לחץ כאן כדי להוריד טבלה זו.
טבלה 2: נקודות תכנון ניסיוני. אנא לחץ כאן כדי להוריד טבלה זו.
טבלה 3: השוואה בין תוצאות המיטוב לבין תוצאות מודל הייחוס. אנא לחץ כאן כדי להוריד טבלה זו.
טבלה 4: השוואה בין המספר המצטבר של 14 צינורות ו-14 חורים. אנא לחץ כאן כדי להוריד טבלה זו.
איור 1: מודל תלת-ממדי של הקופסה המאווררת. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
איור 2: דיאגרמת רשת. (A) הרשת של החצי התחתון של התיבה המאווררת, (B) הרשת של החצי העליון של התיבה המאווררת, ו-(C) הרשת של הצינור. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
איור 3: מבחן עצמאות הרשת. ציר X הוא המספר הכולל השונה של רשתות במודל רשת שינוי, וציר Y הוא סטיית התקן. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
איור 4: ייעול הזרימה של מודל קופסת הייחוס. לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
איור 5: ייעול הזרימה של מודל הקופסה המאווררת. האיור מציג את התוצאה של קו הייעול של התיבה המאווררת, שהיא מודל המשמש לניתוח רגישות. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
איור 6: התפלגות מהירות הזרימה בתוך מודל קופסת הייחוס. לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
איור 7: התפלגות מהירות הזרימה בתוך מודל הקופסה המאווררת. האיור מציג את התוצאה עבור התפלגות מהירות הזרימה בתוך התיבה המאווררת, שהיא מודל המשמש לניתוח רגישות. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
איור 8: תוצאות אופטימיזציה עבור מספר הצינורות. לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
איור 9: תוצאות אופטימיזציה עבור מספר החורים בצנרת האמצעית. לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
איור 10: תוצאת אופטימיזציה של מספר הפרשים מהצינור הפנימי לחיצוני. לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
איור 11: ייעול הזרימה של מודל קופסת האוורור הממוטבת. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
איור 12: התפלגות מהירות הזרימה בתוך מודל הקופסה המאווררת הממוטבת. לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
בשל ביצועיה הגבוהים והמבנה המורכב שלה, במחקר זה בנינו קופסה מאווררת המבוססת על תוכנת מידול. ניתחנו את הזרימה הפנימית באמצעות תוכנת סימולציה. תוכנת סימולציה ידועה ביכולות המידול הפיזיקליות המתקדמות שלה, הכוללות מידול מערבולות, זרימות חד-פאזיות ורב-פאזיות, בעירה, מידול סוללות, אינטראקציה בין מבנה נוזל ועוד. שיטת בחירת הדגימות המשמשת במאמר זה היא שיטת התכנון הניסויי האורתוגונלי, המתאימה לייצור מכני ולתחומים אחרים בשל השיטה המדעית שלה, תפעול פשוט, תועלת לחיסכון בעלויות והשפעה יוצאת דופן. שיטת ניתוח הטווח יכולה להשיג את הגורמים הראשוניים והמשניים ואת השילוב האופטימלי של הניסוי באמצעות חישוב פשוט.
התוצאות תלויות בכמה רכיבים קריטיים של הגדרה זו בתוך הפרוטוקול. ראשית, בעת יצירת המודל התלת-ממדי של מארז הסוללות, מתן שם קל לזיהוי לכל גוף ומשטח בדגם הוא שלב מפתח להוספת חומר לאחר מכן, יצירת ממשק רשת וקביעת תנאי גבול. שנית, לפני קביעת פרמטרים מבניים חשובים, יש לבצע ניתוח רגישות פרמטרים לבחירת הפרמטרים המבניים החשובים יותר. שלישית, בעת הפעלת כל תוכנה, יש צורך להגדיר כל פרמטר במדויק, במיוחד את יחידת הפרמטר.
לאחר ייבוא מודל הרשת, יש לפתור בעיות במודל רשת השינוי וללחוץ על 'בדוק ' כדי לבדוק אם לרשת השינוי יש נפח שלילי. אם יש בעיה כלשהי ברשת המחולקת או בהגדרות הדגם, תופיע הודעת שגיאה. המגבלה העיקרית של מחקר זה היא שהמודל התלת-ממדי המשמש נבנה לאחר פישוט התיבה המאווררת האמיתית. הזרימה הפנימית של תיבת האוורור המדומה תהיה שונה במקצת מזו האמיתית. התוצאה יכולה להיות קרובה למציאות, אבל לא בדיוק. שיטת מיטוב זו חלה על פרמטרים מבניים מסוג מספר שלם, כגון מספר הצינורות והחורים. בהשוואה לאופטימיזציה של אלגוריתם גנטי ואלגוריתם חישול, תוצאות האופטימיזציה במאמר זה נחותות מהתוצאות של אופטימיזציה של אלגוריתמים; עם זאת, בהנדסה, היבט מבנה פרמטרים מסוג מספר שלם מתאים יותר לייצור מוצרים.
טכנולוגיה זו יכולה לא רק להשיג נתוני בדיקה ומוצרי בדיקה באיכות גבוהה ובאמינות גבוהה, אלא גם לעזור לנו לשלוט במערכת היחסים הפנימית בין נבדקים בניתוח נתוני הבדיקה. פרוטוקול זה יסייע לבסס שיטת אופטימיזציה תוך התחשבות בו זמנית בצריכת האנרגיה ובביצועים של הקופסה המאווררת, וניתן להשתמש בו באופן נרחב כדי להאריך את זמן האחסון של מזון טרי. טכניקה זו יכולה לשמש גם בתכנון מכני, תכנון אדריכלי ותחומים אחרים.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
למחברים אין מה לחשוף.
Acknowledgments
מחקר זה נתמך על ידי Wenzhou Science and Technology Bureau of China (פרויקט חדשנות מדעית וטכנולוגית גדול של וונג'ואו תחת מענק מס 'ZG2020029). המחקר ממומן על ידי אגודת וונג'ואו למדע וטכנולוגיה עם מענק מס 'KJFW09. מחקר זה נתמך על ידי תוכנית המדע והמחקר העירונית של וונג'ואו (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).
