Summary
Hier presenteren we de bereikanalysemethode om de monsterpunten te optimaliseren die worden gegenereerd door een orthogonaal experimenteel ontwerp om ervoor te zorgen dat vers voedsel lange tijd in een geventileerde doos kan worden bewaard door het luchtstroompatroon te regelen.
Abstract
Deze studie heeft tot doel de problemen van luchtstroomchaos en slechte prestaties in een geventileerde doos op te lossen die worden veroorzaakt door de heterogene verdeling van de luchtstroom door het ontwerp van de interne structuur van de geventileerde doos met constant energieverbruik. Het uiteindelijke doel is om de luchtstroom in de geventileerde box gelijkmatig te verdelen. Gevoeligheidsanalyse werd uitgevoerd voor drie structurele parameters: het aantal buizen, het aantal gaten in de middelste pijp en het aantal van elke toename van de binnen- naar de buitenpijp. Een totaal van 16 willekeurige array sets van drie structurele parameters met vier niveaus werden bepaald met behulp van het orthogonale experimentele ontwerp. Commerciële software werd gebruikt voor de constructie van een 3D-model voor de geselecteerde experimentele punten, en deze gegevens werden gebruikt om de luchtstroomsnelheden te verkrijgen, die vervolgens werden gebruikt om de standaarddeviatie van elk experimenteel punt te verkrijgen. Volgens de bereikanalyse werd de combinatie van de drie structurele parameters geoptimaliseerd. Met andere woorden, er werd een efficiënte en economische optimalisatiemethode vastgesteld die rekening hield met de prestaties van de geventileerde doos en deze kon op grote schaal worden gebruikt om de opslagtijd van vers voedsel te verlengen.
Introduction
Verse groenten en fruit nemen een groot deel van de menselijke voedselconsumptie in beslag, niet alleen omdat ze een goede smaak en een aantrekkelijke vorm hebben, maar ook omdat ze van groot voordeel zijn voor mensen om voeding te verkrijgen en de gezondheid te behouden1. Veel studies hebben aangetoond dat verse groenten en fruit een unieke rol spelen bij het voorkomen van veel ziekten 2,3. In het opslagproces van verse groenten en fruit zijn schimmels, licht, temperatuur en relatieve vochtigheid de belangrijke redenen voor hun achteruitgang 4,5,6,7,8. Deze externe omstandigheden beïnvloeden de kwaliteit van opgeslagen verse groenten en fruit door het interne metabolisme of chemische reacties te beïnvloeden9.
Veel voorkomende behandelingstechnologieën voor groenten en fruit omvatten niet-thermische en thermische conservering. Onder hen heeft thermische voorbehandeling een positief effect op het droogproces, maar het kan ook nadelige effecten hebben op de productkwaliteit, zoals verlies van voedingsstoffen, verandering van smaak en geur en verandering van kleur10,11. Daarom heeft de afgelopen jaren de niet-thermische conservering van producten aandacht gekregen vanuit het onderzoeksperspectief om aan de vraag van consumenten naar verse producten te voldoen. Op dit moment zijn er voornamelijk stralingsverwerking, gepulseerd elektrisch veld, ozonverwerking, eetbare coatings, dichte fase koolstofdioxide en andere niet-thermische conserveringstechnologieën om groenten en fruit op te slaan, maar deze technologieën hebben vaak tekortkomingen, zoals de vereiste van grote apparatuur, hoge prijs en de gebruikskosten12. Daarom is het ontwerp van een eenvoudige structuur, lage kosten en handige bediening van de conserveringsapparatuur zeer betekenisvol voor de voedingsindustrie.
In de opslagomgeving voor groenten en fruit helpt een goed luchtcirculatiesysteem om de warmte die door het product zelf wordt gegenereerd te elimineren, de temperatuurgradiënt te verminderen en de temperatuur en vochtigheid in de ruimte waar het zich bevindt te handhaven. Een goede luchtcirculatie voorkomt ook gewichtsverlies als gevolg van ademhaling en schimmelinfecties13,14,15. Er zijn talloze studies uitgevoerd naar de luchtstroom binnen verschillende structuren. Praeger et al.16,17 maten de windsnelheid op verschillende posities onder verschillende werkingsvermogens van de ventilator in een magazijn via sensoren en ontdekten dat er een zevenvoudig verschil in luchtsnelheid kon zijn als gevolg van verschillende verticale hoogten, en de luchtsnelheid op elke positie was positief gecorreleerd met het bedrijfsvermogen van de ventilator. Bovendien onderzocht een studie het effect van de vrachtopstelling en het aantal ventilatoren op de luchtstroom, en er werd geconcludeerd dat het vergroten van de afstand van sommige ventilatorposities en het rationeel kiezen van het aantal ventilatoren nuttig was om het effect te verbeteren. Berry et al.18 bestudeerden het effect van luchtstroom in verschillende fruitopslagomgevingen op de verdeling van huidmondjes in verpakkingsdozen. Met behulp van simulatiesoftware bestudeerden Dehghannya et al.19,20 de luchtstroomtoestand van geforceerde voorkoude lucht in het pakket met verschillende ventilatiegebieden, hoeveelheden en distributieposities op de verpakkingswand en verkregen de niet-lineaire invloed van elke parameter op de luchtstroomtoestand. Delele et al.21 pasten een computationeel vloeistofdynamicamodel toe om de invloed van producten willekeurig verdeeld in verschillende vormen van ventilatieboxen op de luchtstroom te bestuderen. Ze ontdekten dat de productgrootte, porositeit en doosgatverhouding een grotere impact hadden op de luchtstroom, terwijl willekeurige vulling een kleinere impact had. Ilangovan et al.22 bestudeerden luchtstroompatronen en thermisch gedrag tussen de drie verpakkingsstructuren en vergeleken de resultaten met referentiestructuurmodellen. De resultaten toonden aan dat de warmteverdeling in de doos niet uniform was vanwege de verschillende locaties en ontwerpen van de ventilatieopening. Gong et al.23 optimaliseerden de breedte van de opening tussen de rand van de tray en de wand van de container.
De technieken die in dit artikel worden gebruikt, omvatten simulatie- en optimalisatiemethoden. Het principe van de eerste is dat de regerende vergelijkingen werden gediscretiseerd en numeriek opgelost met behulp van de eindige volumemethode21. De optimalisatiemethode die in dit artikel wordt gebruikt, wordt orthogonale optimalisatie24 genoemd. De orthogonale test is een typische multifactor- en multilevel-analysemethode. De orthogonale tafel die met behulp van deze methode is gebouwd, bevat representatieve punten die uniform in de ontwerpruimte zijn verdeeld, die de hele ontwerpruimte visueel kunnen beschrijven en kunnen worden onderzocht. Dat wil zeggen, minder punten vertegenwoordigen de volledige factortest, waardoor tijd, mankracht, materiaal en financiële middelen aanzienlijk worden bespaard. De orthogonale test is op grote schaal gebruikt bij het ontwerpen van experimenten op het gebied van energiesystemen, chemie, civiele techniek, enz.25.
Het doel van deze studie is het ontwerpen en optimaliseren van een hoogwaardige geventileerde box. Een geventileerde doos kan worden gedefinieerd als een originele doos met een gasregelapparaat dat het gas gelijkmatig in de doos verspreidt. Snelheidsuniformiteit verwijst naar hoe gelijkmatig lucht door de geventileerde doos stroomt. Yun-De et al.26 hebben eerder aangetoond dat de eigenschap van multiporeus materiaal een belangrijk effect heeft op de snelheidsuniformiteit van een verse groentebox. In sommige experimenten werd zowel aan de boven- als aan de onderkant van de testkamer een plenum of gemoduleerde kamer gelaten om een homogene verdeling van geforceerde of geïnduceerde lucht te garanderen27. De geventileerde doos die in dit artikel is ontworpen, bevat reeksen pijpen met zigzaggaten. Het regelen van de luchtstroomverdeling in de geventileerde box is de belangrijkste conserveringsstrategie. Er zijn twee luchtinlaten van gelijke grootte parallel geplaatst aan de linker- en rechterkant van de geventileerde doos en een uitlaat is ingesteld aan de bovenkant van de doos. Het ontwerpen van de interne structuur van een geventileerde doos is de sleutel tot deze studie. Met andere woorden, het aantal leidingen en gaten is een belangrijke parameter voor het veranderen van de interne structuur van de geventileerde doos. Het referentiemodel heeft 10 pijpen. De twee middelste pijpen hebben elk 10 gaten, die verspringend zijn over de leidingen. Het aantal gaten van het midden naar de buitenste buis neemt met twee tegelijk toe.
Met andere woorden, wanneer we verse groenten, fruit en andere producten bewaren, kan een continue en stabiele luchtstroom de ademhaling van producten verminderen, ethyleen en andere schadelijke stoffen voor productconservering verminderen en de temperatuur verlagen die door de producten zelf wordt geproduceerd. Vanwege de verschillende parameters van de geventileerde doos is het niet eenvoudig om de vereiste luchtstroomtoestand te verkrijgen, wat de conserveringseigenschap van de geventileerde doos zal beïnvloeden. Daarom neemt het project de uniformiteit van de interne luchtstroomsnelheid van de geventileerde box als besturingsdoelstelling. Er werd een gevoeligheidsanalyse uitgevoerd voor de structurele parameters van de geventileerde box. De monsters werden geselecteerd door orthogonaal experimenteel ontwerp. We gebruikten bereikanalyse om de combinatie van de drie structurele parameters te optimaliseren. Ondertussen verifiëren we de wenselijkheid van de optimalisatieresultaten.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Pre-simulatie verwerking
OPMERKING: Rekening houdend met de arrays van pijpen, worden de driedimensionale onderste helft en de bovenste helft van de geventileerde doosmodellen vastgesteld met behulp van driedimensionale software en deze op te slaan als X_T bestanden, de totale afmetingen worden weergegeven in figuur 1. Configuraties worden weergegeven in de materiaaltabel.
- Voer de simulatiesoftware uit en sleep de Mesh-component van de "Component Systems" naar het venster "Project Schematic". Noem het "de bodem". Klik met de rechtermuisknop op Geometrie en klik op Bladeren om het onderste X_T bestand te importeren.
- Klik met de rechtermuisknop op Geometrie, klik op New DesignModeler Geometry om het venster "Mesh-Designmodeler" te openen en klik op Genereren om het onderste model weer te geven.
- Klik met de rechtermuisknop op het bovenste oppervlak en klik op Benoemde selectie om de naam "geventileerde box_upper" te wijzigen. Selecteer Selectiefilter: Lichamen. Klik met de rechtermuisknop op het onderste model om de benoemde selectie te selecteren en deze te hernoemen naar "de onderkant".
- Selecteer Selectiefilter: Gezichten en schakel de "Select Mode" naar Box Select. Selecteer alle binnenoppervlakken, klik met de rechtermuisknop om de benoemde selectie te selecteren en hernoem deze als "binnenste surfaces_external", later gedefinieerd als mech-interfaces. Ga terug naar het oorspronkelijke venster.
- Dubbelklik op het onderste net. Ga naar het venster "Meshing". Wijzig de "Fysieke voorkeuren" van Mechanisch naar CFD. Klik op Bijwerken om het netmodel te genereren. Ga terug naar het oorspronkelijke venster.
- Sleep de component Meshvan de component "Componentsystemen" naar het venster "Projectschematisch". Noem het "top". Klik met de rechtermuisknop op Geometrie en klik op Bladeren om het bovenste X_T bestand te importeren.
- Klik met de rechtermuisknop op Geometry en klik op New DesignModeler Geometry om het venster "Mesh-Designmodeler" te openen. Klik op Genereren om het topmodel weer te geven.
- Klik met de rechtermuisknop op het onderste oppervlak en klik op Benoemde selectie om het te hernoemen naar "geventileerde box_lower". Selecteer Selectiefilter: Lichamen. Klik met de rechtermuisknop op het bovenste model om de benoemde selectie te selecteren en deze te hernoemen naar "top".
- Selecteer Selectiefilter: Gezichten. Klik met de rechtermuisknop op het bovenste oppervlak en klik op Benoemde selectie om de naam van het bovenvlak te wijzigen in de stopcontact. Ga terug naar het oorspronkelijke venster.
- Dubbelklik op de Mesh van de bovenkant. Ga naar het venster "Meshing". Wijzig de "Fysieke voorkeuren" van Mechanisch naar CFD. Klik met de rechtermuisknop op Mesh om de grootte in de "Invoegen" te selecteren. Selecteer Selectiefilter: Lichamen. Selecteer het topmodel en typ 18 in "Elementgrootte". Klik op Bijwerken. Ga terug naar het oorspronkelijke venster.
- Sleep de component Mesh van de component "Componentsystemen" naar het venster "Projectschematisch". Noem het de pijp. Importeer de pijp X_T bestand door op Geometrie te klikken.
- Ga naar het venster "Mesh-Designmodeler". Klik op Genereren om de weergave van het pijpmodel opnieuw weer te geven.
- Selecteer de twee eindvlakken van de pijp en label ze als "inlaat1" en "inlaat2", en de pijp per lichaam selecteert en labelt als een pijp.
- Alle binnenoppervlakken door vakselectie worden gelabeld als "binnenste surfaces_internal", later gedefinieerd als mesh-interfaces. Ga terug naar het oorspronkelijke venster.
- Dubbelklik op het gaas van de pijp. Ga naar het venster "Meshing". Wijzig de "Fysieke voorkeuren" van Mechanisch naar CFD. Het mesh-model kan worden gegenereerd door op "Update" te klikken. Ga terug naar het oorspronkelijke venster.
OPMERKING: Figuur 2A toont het raster van de onderste helft van de geventileerde doos, Figuur 2B toont het raster van de bovenste helft van de geventileerde doos en Figuur 2C toont het raster van de buis. Zoals weergegeven in figuur 3, met het aantal roosters dat toeneemt van 4.137.724 tot 5.490.081, zijn de standaarddeviatieveranderingen minder dan 0,0008. Gezien het rekenvermogen en de nauwkeurigheid is de volgende analyse gebaseerd op een rastermodel met 4.448.536 rasters.
2. Simulatie analyse
OPMERKING: De volgende bewerkingen worden beschreven op basis van de algemene volgorde van simulatieanalyse van installatie tot oplossing tot resultaat.
- Sleep de simulatiecomponent naar het venster "Projectschematisch". Koppel drie Mesh-componenten aan de simulatiecomponent en update om in te voeren.
- Setup
OPMERKING: De "Setup" bestaat uit vijf stappen: Algemeen, Modellen, Materialen, Celzonevoorwaarden en Randvoorwaarden.- Algemeen: Controleer de geldigheid van het netmodel. Controleer of het net een negatief volume heeft. Selecteer Stabiel. Voor de factoren ontspanning, residu en tijdschaal selecteert u de standaardwaarden. Als er een probleem is met de verdeelde raster- of modelinstellingen, verschijnt er een foutmelding.
- Modellen: Voer de instellingsinterface van "Viskeus Model" in om het K-epsilon-model te selecteren.
- Materialen: Stel het "lucht" materiaal in.
- Celzonevoorwaarden: wijzig het type celzone in Vloeistof.
- Randvoorwaarden
- Converteer het type geventileerde box_upper, geventileerde box_lower, binnenste surfaces_external en binnenste surfaces_internal van de standaard "Muur" naar "Interface".
OPMERKING: Simulatiesoftware genereert onmiddellijk de "Mesh Interfaces" na het beëindigen van de bovenstaande stap. - Open Mesh Interfaces en ga naar het venster " Mesh Interfaces maken/bewerken". Stem innerlijke surfaces_external af op innerlijke surfaces_internal. Match geventileerde box_upper om box_lower te ventileren. Ten slotte worden de twee mesh-interfaces gemaakt in de geventileerde doos en respectievelijk interface1 en interface2 genoemd.
- Stel de luchtstroomsnelheden van alle inlaten in op 8,9525 m/s in het venster "Velocity Inlet" en de manometerdruk van de uitlaat op nul in het venster "Pressure Outlet".
- Converteer het type geventileerde box_upper, geventileerde box_lower, binnenste surfaces_external en binnenste surfaces_internal van de standaard "Muur" naar "Interface".
- Oplossing
- Stel de stijl van oplossingsinitialisatie in als standaardinitialisatie voordat u initialiseert.
- Stel het aantal iteraties in op 2.000.
- Klik op Berekenen om de simulatie te starten en terug te keren naar het beginvenster totdat de simulatie is afgelopen.
- Resultaten
- Klik op Resultaten. Ga naar het venster "CFD Post" en klik op het stroomlijnpictogram van in de toolbox.
- Selecteer stopcontact in "Start From" en Backward in "Direction". Klik op Toepassen om het interne stroomdiagram van de geventileerde doos te genereren.
- Klik op Plane in "Location", selecteer ZX Plane in "Method" en selecteer de invoerwaarde als 0,6. Klik op Toepassen om het vlak op 0,6 m van het onderoppervlak te genereren.
- Klik op het contourpictogram in de gereedschapset, selecteer Vlak 1 in "Locaties", selecteer Snelheid in "Variabele" en selecteer Lokaal in "Bereik". Klik op Toepassen om de snelheidscontour te genereren.
- Exporteer de stroomsnelheidsgegevens voor het hierboven gegenereerde vlak. Verkrijg de standaarddeviatie van het debiet in spreadsheetsoftware (bijvoorbeeld Excel).
OPMERKING: Er is een gevoeligheidsanalyse uitgevoerd van drie structurele variabelen van de geventileerde doos. Het aantal pijpen heeft vier niveaus: acht, 10, 12 en 14. Het aantal gaten in de middelste pijpen heeft vier niveaus: acht, 10, 12 en 14. Het aantal van elke stap van de binnen- naar de buitenpijp heeft vier niveaus: nul, twee, vier en zes. Pas het basismodel aan op basis van wijzigingen in deze structurele parameters. Herhaal stap 1.1 tot en met 2.5 10 keer om de gegevens in tabel 1 te verkrijgen. Uit de tabel blijkt dat de drie structurele parameters bepaalde effecten hebben op de standaardafwijking van het debiet.
3. Orthogonaal experimentontwerp en bereikanalyse
- Voer de statistische analysesoftware uit. Klik op Gegevens en genereer in "Orthogonaal ontwerp".
- Voer pipe_number in bij "Factor Name" en A bij "Factor Label". Klik op Waarden toevoegen en definiëren om vier niveaus in te stellen voor het aantal leidingen. Klik op Doorgaan en ga terug naar het venster "Orthogonaal ontwerp genereren".
- Voer whole_number in "Factor Name" en B in "Factor Label" in. Klik op Waarden toevoegen en definiëren om vier niveaus in te stellen voor het aantal gaten. Klik op Doorgaan en ga terug naar het venster "Orthogonaal ontwerp genereren".
- Voer cumulative_number in "Factor Name" en C in "Factor Label" in. Klik op Waarden toevoegen en definiëren om vier niveaus in te stellen voor het aantal stappen. Klik op Doorgaan en ga terug naar het venster "Orthogonaal ontwerp genereren".
- Klik op Nieuw gegevensbestand maken om 16 arrayvoorbeelden te genereren. Klik op Variabele weergave om Nominaal te selecteren in "Meten" en Invoer in "Rol". Hernoem het als "standard_deviation×100000".
- Herhaal stap 1.1 tot en met 2.5 met de bovenstaande voorbeeldpunten; De resulterende 16 standaardafwijkingen vermenigvuldigd met 100.000 worden ingevuld in de steekproeflijst voor latere optimalisatie.
- Klik op Analyseren en univariate in "Algemeen lineair model". Vul standard_deviation×100000 in bij "Afhankelijke variabele" en pipe_number, hole_number, cumulative_number bij "Vaste factor(en)". Klik op Termen modelleren en bouwen. Wijzig Interactie in Hoofdeffecten. Vul A, B, C in "Model". Klik op Doorgaan en ga terug naar het venster "Univariate".
- Klik op EM Means en vul A, B, C in bij "Display Means For". Klik op Doorgaan en ga terug naar het venster "Univariate".
- Klik op OK en krijg het optimalisatieresultaat; De minimumwaarde van de kolom "gemiddelde" in de tabel komt overeen met de optimale variabele. Dubbelklik op de tabel, ga naar het venster " Draaitabel", klik op Bewerken en klik op Bar in "Grafiek maken" om het histogram te genereren.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Volgens het protocol waren de eerste drie delen de belangrijkste, waaronder modellering, meshing en simulatie, allemaal om de standaarddeviatie van het debiet te verkrijgen. Vervolgens hebben we de structuuroptimalisatie van de geventileerde doos voltooid door middel van orthogonale experimenten en bereikanalyse. Het model dat in het protocol wordt gebruikt, is het referentie-geventileerde doosmodel, het initiële model dat wordt verkregen uit de referentie. Figuur 4 toont het resultaat van de gestroomlijnde stroom van het model van de referentiegeventileerde doos en figuur 5 toont het resultaat van de gestroomlijnde stroom van de geventileerde doos, een van de modellen die worden gebruikt voor gevoeligheidsanalyse. Dit geventileerde doosmodel is model nummer één in tabel 1. Gestroomlijnde stromen zijn de trajecten van vloeistofbeweging om de vloeistofstroom in de geventileerde doos te visualiseren. Zoals te zien is in figuur 4 en figuur 5, is de gestroomlijnde stroom van de laatste geventileerde doos nog rommeliger dan die van de eerste vanwege de binnenstructuur van de geventileerde doos. Figure 6 toont het resultaat voor de stroomsnelheidsverdeling binnen het referentiemodel met geventileerde box en figuur 7 toont het resultaat voor de stroomsnelheidsverdeling in het model van de geventileerde doos, een van de modellen die worden gebruikt voor gevoeligheidsanalyse. Zoals te zien is in figuur 6 en figuur 7, is het debiet in de geventileerde doos, een van de modellen die worden gebruikt voor gevoeligheidsanalyse, ongelijker.
Om de gestroomlijnde verdeling in de geventileerde doos intuïtiever te begrijpen, hebben we een vlak op 0,6 m afstand van de bodem van de geventileerde doos vastgesteld. Het debiet van elk knooppunt op het uitgangsvlak wordt gebruikt voor de berekening van de wiskundige statistiek. De standaarddeviatie wordt berekend door 
waar xien μ staan voor respectievelijk het debiet van elk knooppunt en het gemiddelde debiet van alle knooppunten. Tabel 1 toont de standaardafwijkingen van de debieten voor de 10 groepen van de geventileerde doos die worden gebruikt voor gevoeligheidsanalyse, inclusief het referentiemodel. Het is duidelijk dat de drie structurele variabelen een bepaalde invloed hebben op de standaardafwijking van het debiet en dat het aantal leidingen de grootste invloed heeft op de standaardafwijking van het debiet. Een grote standaarddeviatie vertegenwoordigt een groot verschil tussen de meeste debieten en hun gemiddelde debiet; Een kleine standaarddeviatie betekent dat deze stroomsnelheden dicht bij hun gemiddelde debiet liggen. Zo kan worden gezien dat het veranderen van de interne structuur van de geventileerde doos de interne stroom kan veranderen en de stroomlijn homogener kan maken.
Bij het ontwerpen van het orthogonale experiment zijn er drie ontwerpvariabelen in dit artikel: het aantal buizen, het aantal gaten in de middelste pijpen en het aantal van elke stap van de binnen- naar de buitenpijp. Elk van deze drie variabelen heeft vier niveaus. Zoals weergegeven in tabel 2, werden 16 groepen experimentele ontwerppunten verkregen door orthogonaal experimenteel ontwerp. De standaarddeviaties zijn berekend met simulatiesoftware. Uit het aantal monsterpunten dat is genomen, kan worden afgeleid dat het orthogonale experimentele ontwerp het doel kan bereiken om maximale parameterwaardedekking te bieden met het minste aantal testgevallen.
Uiteindelijk wordt de bereikanalysemethode gebruikt als de optimalisatiemethode voor het vinden van de optimale structuurparametercombinatie. Figuur 8 toont het optimalisatieresultaat voor de structurele parameter van het aantal leidingen. Hieruit kunnen we zien dat de minimumwaarde wordt verkregen wanneer het aantal leidingen 14 is. Figuur 9 toont het optimalisatieresultaat voor de structurele parameter over het aantal gaten in de middelste leidingen. Hieruit kunnen we zien dat de minimumwaarde wordt verkregen wanneer het aantal gaten in de middelste leidingen 14 is. Figuur 10 toont het optimalisatieresultaat voor de structurele parameter over het aantal stappen van de binnen- naar de buitenleiding. Hieruit kunnen we zien dat de minimumwaarde wordt verkregen wanneer het aantal stappen van de binnen- naar de buitenpijp vier is. Uit bovenstaande analyse blijkt dat de optimale combinatie "pipe_number 14, hole_number 14, cumulative_number 4" is. Om de nauwkeurigheid te bevestigen, werd de optimale case geanalyseerd door simulatiesoftware. Figuur 4 en figuur 11 tonen de stroomlijnstroom van het referentiemodel versus het geoptimaliseerde model. Figuur 6 en figuur 12 tonen de stroomsnelheidsverdeling binnen het referentiemodel versus het geoptimaliseerde model. Tabel 3 toont een vergelijking tussen de optimalisatieresultaten en de resultaten van het referentiemodel. Te zien is dat de standaarddeviatie berekend vanuit het geoptimaliseerde model lager is dan de standaarddeviatie van het referentiemodel. Tabel 4 toont de toename van het aantal gaten van vier naar zes, met weinig verandering in standaarddeviatie, en model nummer drie is het geoptimaliseerde model vanuit het perspectief van bewerkingskosten. In dit artikel wordt de interne omgeving van de geventileerde doos verbeterd door de structuur ervan te optimaliseren en wordt de kwaliteit van de interne omgeving gemeten aan de hand van de standaarddeviatie; Hoe kleiner de standaarddeviatie, hoe homogener de luchtstroom in de geventileerde doos, wat aangeeft dat de optimalisatiemethode die in dit werk is gebruikt, effectief en haalbaar is.
Tabel met materialen. De tabel toont de basisconfiguraties voor deze studie, waaronder de benodigde computer met een krachtige grafische verwerkingseenheid (GPU) en drie software van SolidWorks, Ansys-Workbench en SPSS.
Tabel 1: Analyse van de parametergevoeligheid. De tabel toont de standaardafwijkingen van de debieten voor de 10 groepen van de geventileerde doos die worden gebruikt voor gevoeligheidsanalyse. Klik hier om deze tabel te downloaden.
Tabel 2: Experimentele ontwerppunten. Klik hier om deze tabel te downloaden.
Tabel 3: Vergelijking tussen de optimalisatieresultaten en de resultaten van het referentiemodel. Klik hier om deze tabel te downloaden.
Tabel 4: Vergelijking van het cumulatieve aantal van 14 pijpen en 14 gaten. Klik hier om deze tabel te downloaden.
Figuur 1: 3D-model van de geventileerde doos. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 2: Rasterdiagram . (A) Het raster van de onderste helft van de geventileerde doos, (B) het raster van de bovenste helft van de geventileerde doos en (C) het raster van de buis. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 3: Netonafhankelijkheidstest. De X-as is het verschillende totale aantal rasters in het netmodel en de Y-as is de standaarddeviatie. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 4: Stroomlijn de stroom van het model met referentiegeventileerde box. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 5: Stroomlijn de stroom van het geventileerde doosmodel. De figuur toont het resultaat van de stroomlijn van de geventileerde doos, een model dat wordt gebruikt voor gevoeligheidsanalyse. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 6: Stroomsnelheidsverdeling binnen het model met referentiegeventileerde doos. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 7: Stroomsnelheidsverdeling in het model van de geventileerde doos. De figuur toont het resultaat voor de stroomsnelheidsverdeling in de geventileerde doos, een model dat wordt gebruikt voor gevoeligheidsanalyse. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 8: Optimalisatieresultaten voor het aantal leidingen. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 9: Optimalisatieresultaten voor het aantal gaten in de middelste leidingen. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 10: Optimalisatieresultaat van het aantal stappen van de binnen- naar de buitenpijp. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 11: Stroomlijn de stroom van het geoptimaliseerde geventileerde doosmodel. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 12: Stroomsnelheidsverdeling in het geoptimaliseerde geventileerde doosmodel. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Vanwege de hoge prestaties en complexe structuur hebben we in deze studie een geventileerde doos gebouwd op basis van modelleringssoftware. We analyseerden de interne stroom met simulatiesoftware. Simulatiesoftware staat bekend om zijn geavanceerde fysicamodelleringsmogelijkheden, waaronder turbulentiemodellering, een- en meerfasenstromen, verbranding, batterijmodellering, vloeistof-structuurinteractie en nog veel meer. De monsterselectiemethode die in dit artikel wordt gebruikt, is de orthogonale experimentele ontwerpmethode, die geschikt is voor mechanische productie en andere gebieden vanwege de wetenschappelijke methode, eenvoudige bediening, kostenbesparend voordeel en opmerkelijk effect. De bereikanalysemethode kan de primaire en secundaire factoren en de optimale combinatie van het experiment verkrijgen door middel van een eenvoudige berekening.
De resultaten zijn afhankelijk van enkele kritieke componenten van deze opstelling binnen het protocol. Ten eerste, bij het maken van het 3D-model van het batterijpakket, is het geven van elke behuizing en elk oppervlak in het model een gemakkelijk herkenbare naam een belangrijke stap voor het vervolgens toevoegen van materiaal, het maken van een mesh-interface en het instellen van randvoorwaarden. Ten tweede moet, voordat belangrijke structurele parameters worden bepaald, een parametergevoeligheidsanalyse worden uitgevoerd om de belangrijkere structurele parameters te selecteren. Ten derde is het bij het gebruik van elke software noodzakelijk om elke parameter nauwkeurig in te stellen, met name de eenheid van de parameter.
Na het importeren van het rastermodel, moet men problemen met het netmodel oplossen en op Controleren klikken om te controleren of het net een negatief volume heeft. Als er een probleem is met de verdeelde raster- of modelinstellingen, verschijnt er een foutmelding. De belangrijkste beperking van deze studie is dat het gebruikte 3D-model is gebouwd na het vereenvoudigen van de echte geventileerde doos. De interne stroom van de gesimuleerde geventileerde doos zal iets anders zijn dan de echte. Het resultaat kan dicht bij de realiteit liggen, maar niet precies. Deze optimalisatiemethode is van toepassing op structurele parameters van het gehele getal, zoals het aantal leidingen en gaten. Vergeleken met genetische algoritme- en gloeialgoritmeoptimalisatie zijn de optimalisatieresultaten in dit artikel inferieur aan de resultaten van algoritme-optimalisatie; In de techniek is de parameterstructuur van het aspect integer-type echter meer geschikt voor de productie van producten.
Deze technologie kan niet alleen hoogwaardige en zeer betrouwbare testgegevens en testproducten verkrijgen, maar ons ook helpen de interne relatie tussen proefpersonen bij de analyse van testgegevens onder de knie te krijgen. Dit protocol zal helpen bij het vaststellen van een optimalisatiemethode terwijl tegelijkertijd rekening wordt gehouden met het energieverbruik en de prestaties van de geventileerde doos, en het kan op grote schaal worden gebruikt om de opslagtijd van vers voedsel te verlengen. Deze techniek kan ook worden gebruikt in mechanisch ontwerp, architectonisch ontwerp en andere gebieden.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
De auteurs hebben niets te onthullen.
Acknowledgments
Dit onderzoek wordt ondersteund door Wenzhou Science and Technology Bureau of China (Wenzhou groot wetenschappelijk en technologisch innovatieproject onder Grant No. ZG2020029). Het onderzoek wordt gefinancierd door de Wenzhou Association for Science and Technology met Grant No. KJFW09. Dit onderzoek werd ondersteund door het Wenzhou Municipal Key Science and Research Program (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).
