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Engineering

Progettazione e strategie di ottimizzazione di una scatola ventilata ad alte prestazioni

Published: June 9, 2023 doi: 10.3791/65076
Automatic Translation
1, 1, 1, 1,2, 1, 1
1College of Mechanical and Electrical Engineering, Wenzhou University, 2Institute of Laser and Optoelectronics Intelligent Manufacturing, Wenzhou University

Summary

Qui, presentiamo il metodo di analisi della gamma per ottimizzare i punti di campionamento generati da un design sperimentale ortogonale per garantire che il cibo fresco possa essere conservato in una scatola ventilata per lungo tempo regolando il modello del flusso d'aria.

Abstract

Questo studio mira a risolvere i problemi di caos del flusso d'aria e scarse prestazioni in una scatola ventilata causati dalla distribuzione eterogenea del flusso d'aria attraverso la progettazione della struttura interna della scatola ventilata con consumo energetico costante. L'obiettivo finale è quello di distribuire uniformemente il flusso d'aria all'interno della scatola ventilata. L'analisi di sensibilità è stata eseguita per tre parametri strutturali: il numero di tubi, il numero di fori nel tubo centrale e il numero di ciascun incremento dall'interno al tubo esterno. Un totale di 16 array casuali di tre parametri strutturali con quattro livelli sono stati determinati utilizzando il disegno sperimentale ortogonale. Il software commerciale è stato utilizzato per la costruzione di un modello 3D per i punti sperimentali selezionati, e questi dati sono stati utilizzati per ottenere le velocità del flusso d'aria, che sono state poi utilizzate per ottenere la deviazione standard di ciascun punto sperimentale. Secondo l'analisi della gamma, la combinazione dei tre parametri strutturali è stata ottimizzata. In altre parole, è stato stabilito un metodo di ottimizzazione efficiente ed economico considerando le prestazioni della scatola ventilata e potrebbe essere ampiamente utilizzato per prolungare il tempo di conservazione degli alimenti freschi.

Introduction

Le verdure e la frutta fresche occupano un'alta percentuale del consumo alimentare umano, non solo perché hanno buon gusto e una forma attraente, ma anche perché sono di grande beneficio per le persone per ottenere nutrizione e mantenere la salute1. Molti studi hanno dimostrato che frutta e verdura fresca svolgono un ruolo unico nella prevenzione di molte malattie 2,3. Nel processo di conservazione di frutta e verdura fresca, funghi, luce, temperatura e umidità relativa sono le ragioni importanti del loro deterioramento 4,5,6,7,8. Queste condizioni esterne influenzano la qualità degli ortofrutticoli freschi immagazzinati influenzando il metabolismo interno o le reazioni chimiche9.

Le tecnologie di trattamento comuni per frutta e verdura includono la conservazione non termica e termica. Tra questi, il pretrattamento termico ha un effetto positivo sul processo di essiccazione, ma può anche avere effetti negativi sulla qualità del prodotto, come la perdita di sostanze nutritive, il cambiamento di sapore e odore e il cambiamento di colore10,11. Pertanto, negli ultimi anni, la conservazione non termica dei prodotti ha ricevuto attenzione dal punto di vista della ricerca per soddisfare la domanda dei consumatori di prodotti freschi. Attualmente, ci sono principalmente processi di radiazione, campo elettrico pulsato, lavorazione dell'ozono, rivestimenti commestibili, anidride carbonica in fase densa e altre tecnologie di conservazione non termica per conservare frutta e verdura, ma queste tecnologie hanno spesso carenze, come il requisito di attrezzature di grandi dimensioni, il prezzo elevato e il costo di utilizzo12. Pertanto, la progettazione di una struttura semplice, a basso costo e un comodo controllo delle attrezzature di conservazione è molto significativa per l'industria alimentare.

Nell'ambiente di stoccaggio di frutta e verdura, un corretto sistema di circolazione dell'aria aiuta ad eliminare il calore generato dal prodotto stesso, ridurre il gradiente di temperatura e mantenere la temperatura e l'umidità nello spazio in cui si trova. Una corretta circolazione dell'aria previene anche la perdita di peso dovuta alla respirazione e alle infezioni fungine13,14,15. Numerosi studi sono stati condotti sul flusso d'aria all'interno di diverse strutture. Praeger et al.16,17 hanno misurato la velocità del vento in diverse posizioni sotto diverse potenze operative della ventola in un magazzino attraverso sensori e hanno scoperto che potrebbe esserci una differenza di sette volte nella velocità dell'aria a causa delle diverse altezze verticali e la velocità dell'aria in ogni posizione era positivamente correlata con la potenza operativa della ventola. Inoltre, uno studio ha esaminato l'effetto della disposizione del carico e il numero di ventilatori sul flusso d'aria, e si è concluso che aumentare la distanza di alcune posizioni delle ventole e scegliere razionalmente il numero di ventole è stato utile per migliorare l'effetto. Berry et al.18 hanno studiato l'effetto del flusso d'aria in diversi ambienti di conservazione della frutta sulla distribuzione degli stomi nelle scatole di imballaggio. Utilizzando un software di simulazione, Dehghannya et al.19,20 hanno studiato lo stato del flusso d'aria dell'aria pre-fredda forzata nel pacchetto con diverse aree di sfiato, quantità e posizioni di distribuzione sulla parete dell'imballaggio e hanno ottenuto l'influenza non lineare di ciascun parametro sullo stato del flusso d'aria. Delele et al.21 hanno applicato un modello fluidodinamico computazionale per studiare l'influenza di prodotti distribuiti casualmente in diverse forme di scatole di ventilazione sul flusso d'aria. Hanno scoperto che le dimensioni del prodotto, la porosità e il rapporto dei fori della scatola hanno avuto un impatto maggiore sul flusso d'aria, mentre il riempimento casuale ha avuto un impatto minore. Ilangovan et al.22 hanno studiato i modelli di flusso d'aria e il comportamento termico tra le tre strutture di imballaggio e hanno confrontato i risultati con i modelli strutturali di riferimento. I risultati hanno mostrato che la distribuzione del calore nella scatola non era uniforme a causa delle diverse posizioni e design dello sfiato. Gong et al.23 hanno ottimizzato la larghezza dello spazio tra il bordo del vassoio e la parete del contenitore.

Le tecniche utilizzate in questo documento includono metodi di simulazione e ottimizzazione. Il principio del primo è che le equazioni che governano sono state discretizzate, e risolte numericamente usando il metodo del volume finito21. Il metodo di ottimizzazione utilizzato in questo documento è indicato come ottimizzazione ortogonale24. Il test ortogonale è un tipico metodo di analisi multifattoriale e multilivello. La tabella ortogonale costruita con questo metodo contiene punti rappresentativi distribuiti uniformemente nello spazio di progettazione, che possono descrivere visivamente l'intero spazio di progettazione ed essere esaminati. Cioè, meno punti rappresentano il test fattoriale completo, risparmiando notevolmente tempo, manodopera, materiale e risorse finanziarie. Il test ortogonale è stato ampiamente utilizzato nella progettazione di esperimenti nei settori dei sistemi di alimentazione, della chimica, dell'ingegneria civile, ecc.25.

L'obiettivo di questo studio è progettare e ottimizzare una scatola ventilata ad alte prestazioni. Una scatola ventilata può essere definita come una scatola originale che include un dispositivo di controllo del gas che disperde uniformemente il gas nella scatola. L'uniformità della velocità si riferisce al modo in cui l'aria scorre uniformemente attraverso la scatola ventilata. Yun-De et al.26 hanno precedentemente dimostrato che la proprietà del materiale multiporoso ha un effetto importante sull'uniformità della velocità di una scatola di verdure fresche. In alcuni esperimenti, un plenum o una camera modulata è stata lasciata sia nella parte superiore che in quella inferiore della camera di prova per garantire una distribuzione omogenea dell'aria forzata o indotta27. La scatola ventilata progettata in questo documento contiene matrici di tubi con fori a zigzag. Il controllo della distribuzione del flusso d'aria nella scatola ventilata è la principale strategia di conservazione. Ci sono due prese d'aria di uguali dimensioni poste parallelamente ai lati sinistro e destro della scatola ventilata, e una presa è impostata sul lato superiore della scatola. Progettare la struttura interna di una scatola ventilata è la chiave di questo studio. In altre parole, il numero di tubi e fori è un parametro importante per modificare la struttura interna della scatola ventilata. Il modello di riferimento ha 10 tubi. I due tubi centrali hanno 10 fori ciascuno, che sono sfalsati attraverso i tubi. Il numero di fori dal tubo centrale al tubo esterno aumenta di due alla volta.

In altre parole, quando conserviamo verdure fresche, frutta e altri prodotti, il flusso d'aria continuo e stabile può ridurre la respirazione dei prodotti, ridurre l'etilene e altre sostanze nocive per la conservazione del prodotto e ridurre la temperatura prodotta dai prodotti stessi. A causa dei diversi parametri della scatola ventilata, non è facile ottenere lo stato del flusso d'aria richiesto, che influenzerà la proprietà di conservazione della scatola ventilata. Pertanto, il progetto prende l'uniformità della velocità del flusso d'aria interno della scatola ventilata come obiettivo di controllo. È stata condotta un'analisi di sensibilità per i parametri strutturali della scatola ventilata. I campioni sono stati selezionati mediante disegno sperimentale ortogonale. Abbiamo utilizzato l'analisi della gamma per ottimizzare la combinazione dei tre parametri strutturali. Nel frattempo, verifichiamo l'opportunità dei risultati dell'ottimizzazione.

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Protocol

1. Elaborazione pre-simulazione

NOTA: considerando le matrici di tubi, la metà inferiore tridimensionale e la metà superiore dei modelli di scatola ventilata vengono stabilite utilizzando software tridimensionale e salvandole come file X_T, le dimensioni complessive sono mostrate nella Figura 1. Le configurazioni sono mostrate nella tabella dei materiali.

  1. Eseguire il software di simulazione e trascinare il componente Mesh dalla finestra "Sistemi componenti" alla finestra "Schema progetto". Chiamalo "il fondo". Fate clic con il pulsante destro del mouse su Geometria (Geometry ) e scegliete Sfoglia (Browse) per importare il file X_T inferiore.
  2. Fate clic con il pulsante destro del mouse su Geometria, selezionate Nuova geometria DesignModeler ( New DesignModeler Geometry ) per accedere alla finestra "Mesh-Designmodeler", quindi fate clic su Genera (Generate ) per visualizzare il modello inferiore.
  3. Fate clic con il pulsante destro del mouse sulla superficie superiore e scegliete Selezione denominata (Named Selection ) per rinominarla "box_upper ventilato". Selezionare Filtro selezione: corpi. Fate clic con il pulsante destro del mouse sul modello inferiore per selezionare la selezione denominata e rinominarla come "inferiore".
  4. Selezionare Filtro di selezione: Facce e passare a "Seleziona modalità" su Box Select. Selezionate tutte le superfici interne, fate clic con il pulsante destro del mouse per selezionare la selezione denominata e rinominatela come "surfaces_external interno", definite come interfacce mech in seguito. Tornare alla finestra iniziale.
  5. Fate doppio clic sulla trama inferiore. Entra nella finestra "Meshing". Modifica le "Preferenze fisiche" da Meccaniche a CFD. Fate clic su Aggiorna (Update) per generare il modello di mesh. Tornare alla finestra iniziale.
  6. Trascinare il componente Meshda "Sistemi componenti" alla finestra "Schema progetto". Chiamalo "top". Fare clic con il pulsante destro del mouse su Geometria (Geometry ) e scegliere Sfoglia ( Sfoglia ) per importare il file X_T superiore.
  7. Fate clic con il pulsante destro del mouse su Geometria (Geometry ) e scegliete Nuova geometria DesignModeler ( New DesignModeler Geometry ) per accedere alla finestra "Mesh-Designmodeler". Fare clic su Genera per visualizzare il modello principale.
  8. Fate clic con il pulsante destro del mouse sulla superficie inferiore e scegliete Selezione denominata (Named Selection ) per rinominarla come "box_lower ventilato". Selezionare Filtro selezione: corpi. Fare clic con il pulsante destro del mouse sul modello superiore per selezionare la selezione denominata e rinominarla come "top".
  9. Selezionare Filtro selezione: Facce. Fate clic con il pulsante destro del mouse sulla superficie superiore e scegliete Selezione denominata (Named Selection ) per rinominarla come presa. Tornare alla finestra iniziale.
  10. Fate doppio clic sulla trama superiore. Entra nella finestra "Meshing". Modifica le "Preferenze fisiche" da Meccaniche a CFD. Fare clic con il pulsante destro del mouse su Mesh per selezionare il dimensionamento in "Inserisci". Selezionare Filtro selezione: corpi. Seleziona il modello di punta e digita 18 in "Dimensioni elemento". Fare clic su Aggiorna. Tornare alla finestra iniziale.
  11. Trascinare il componente Mesh da "Sistemi componenti" alla finestra "Schema progetto". Denominatela come pipe. Importate il file di X_T pipe facendo clic su Geometria (Geometry).
  12. Entra nella finestra "Mesh-Designmodeler". Fate clic su Genera (Generate) per visualizzare nuovamente le visualizzazioni del modello di tubazione.
  13. Selezionate le due facce terminali del tubo ed etichettatele come "inlet1" e "inlet2" e la selezione e l'etichettatura del tubo per corpo come tubo.
  14. Tutte le superfici interne mediante selezione della casella sono etichettate come "surfaces_internal interne", definite come interfacce mesh in seguito. Tornare alla finestra iniziale.
  15. Fate doppio clic sulla trama del tubo. Entra nella finestra "Meshing". Modifica le "Preferenze fisiche" da Meccaniche a CFD. Il modello mesh può essere generato facendo clic su "Aggiorna". Tornare alla finestra iniziale.
    NOTA: la Figura 2A mostra la griglia della metà inferiore della scatola ventilata, la Figura 2B mostra la griglia della metà superiore della scatola ventilata e la Figura 2C mostra la griglia del tubo. Come mostrato nella Figura 3, con il numero di griglie che aumenta da 4.137.724 a 5.490.081, le variazioni della deviazione standard sono inferiori a 0,0008. Considerando la capacità di calcolo e l'accuratezza, la seguente analisi si basa su un modello di griglia con 4.448.536 griglie.

2. Analisi di simulazione

NOTA: le seguenti operazioni sono descritte in base alla sequenza generale dell'analisi di simulazione dall'installazione alla soluzione al risultato.

  1. Trascinare il componente Simulazione nella finestra "Schema progetto". Collegare tre componenti Mesh al componente di simulazione e aggiornarli per entrare.
  2. Apparecchio
    NOTA: la "Configurazione" è costituita da cinque passaggi: Generale, Modelli, Materiali, Condizioni zona cella e Condizioni al contorno.
    1. Generale: verificare la validità del modello di mesh. Controlla se la mesh ha un volume negativo. Seleziona Fisso. Per i fattori di rilassamento, residui e scala temporale, selezionare i valori predefiniti. Se si verifica un problema con le impostazioni della griglia divisa o del modello, verrà visualizzato un messaggio di errore.
    2. Modelli: accedere all'interfaccia di impostazione di "Modello viscoso" per selezionare il modello K-epsilon.
    3. Materiali: impostare il materiale "aria".
    4. Condizioni della zona cellulare: modificare il tipo di zona della cella in Fluido.
  3. Condizioni al contorno
    1. Converti il tipo di box_upper ventilato, box_lower ventilato, surfaces_external interno e surfaces_internal interno dal valore predefinito "Wall" a "Interface".
      NOTA: Il software di simulazione genera immediatamente le "Interfacce Mesh" dopo aver terminato il passaggio precedente.
    2. Apri Interfacce Mesh ed entra nella finestra "Crea/Modifica interfacce Mesh". Abbina surfaces_external interiore a surfaces_internal interiore. Match sfiatato box_upper a box_lower sfiatato. Infine, le due interfacce mesh vengono create nella casella ventilata e denominate rispettivamente interface1 e interface2.
    3. Impostare la velocità del flusso d'aria di tutti gli ingressi come 8,9525 m/s nella finestra "Velocità ingresso" e la pressione manometrica dell'uscita come zero nella finestra "Pressione uscita".
  4. Soluzione
    1. Impostare lo stile di inizializzazione della soluzione come Inizializzazione standard prima dell'inizializzazione.
    2. Impostare il numero di iterazioni su 2.000.
    3. Fare clic su Calcola per avviare la simulazione e tornare alla finestra iniziale fino al termine della simulazione.
  5. Risultati
    1. Fai clic su Risultati. Entra nella finestra "CFD Post" e fai clic sull'icona semplificata di nella casella degli strumenti.
    2. Selezionare la presa in "Inizia da" e indietro in "Direzione". Fare clic su Applica per generare il diagramma di flusso interno della scatola ventilata.
    3. Fare clic su Piano in "Posizione", selezionare ZX Plane in "Metodo" e selezionare il valore di input come 0.6. Fate clic su Applica (Apply ) per generare il piano a 0,6 m dalla superficie inferiore.
    4. Fare clic sull'icona Contour nella casella degli strumenti, selezionare Piano 1 in "Posizioni", selezionare Velocità in "Variabile" e selezionare Locale in "Intervallo". Fate clic su Applica (Apply ) per generare il contorno di velocità.
    5. Esportare i dati di portata per il piano generato sopra. Acquisire la deviazione standard della portata nel software di fogli di calcolo (ad esempio, Excel).
      NOTA: È stata effettuata un'analisi di sensibilità di tre variabili strutturali della scatola ventilata. Il numero di tubi ha quattro livelli: otto, 10, 12 e 14. Il numero di fori nei tubi centrali ha quattro livelli: otto, 10, 12 e 14. Il numero di ogni incremento dall'interno al tubo esterno ha quattro livelli: zero, due, quattro e sei. Modificare il modello di base in base alle modifiche apportate a questi parametri strutturali. Ripetere i passaggi da 1.1 a 2.5 10 volte per ottenere i dati nella tabella 1. Dalla tabella si evince che i tre parametri strutturali hanno determinati effetti sulla deviazione standard della portata.

3. Progettazione di esperimenti ortogonali e analisi della gamma

  1. Eseguire il software di analisi statistica. Fare clic su Dati e generare in "Progettazione ortogonale".
  2. Inserisci pipe_number in "Nome fattore" e A in "Etichetta fattore". Fate clic su Aggiungi e definisci valori (Add and Define Values) per impostare quattro livelli per il numero di tubazioni. Fare clic su Continua e tornare alla finestra "Genera progetto ortogonale".
  3. Inserisci whole_number in "Nome fattore" e B in "Etichetta fattore". Fate clic su Aggiungi e definisci valori (Add and Define Values) per impostare quattro livelli per il numero di fori. Fare clic su Continua e tornare alla finestra "Genera progetto ortogonale".
  4. Inserisci cumulative_number in "Nome fattore" e C in "Etichetta fattore". Fare clic su Aggiungi e definisci valori per impostare quattro livelli per il numero di incrementi. Fare clic su Continua e tornare alla finestra "Genera progetto ortogonale".
  5. Fare clic su Crea nuovo file di dati per generare 16 campioni di matrici. Fare clic su Vista variabile per selezionare Nominale in "Misura" e Inserisci in "Ruolo". Rinominalo come "standard_deviation×100000".
  6. Ripetere i passaggi da 1.1 a 2.5 con i punti campione sopra; Le 16 deviazioni standard risultanti moltiplicate per 100.000 vengono inserite nell'elenco dei campioni per un'ottimizzazione successiva.
  7. Fare clic su Analizza e univariata in "Modello lineare generale". Compilare standard_deviation×100000 in "Variabile dipendente" e pipe_number, hole_number cumulative_number in "Fattori fissi". Fare clic su Termini modello e costruzione. Modificare Interazione in Effetti principali. Riempi A, B, C in "Modello". Fare clic su Continua e tornare alla finestra "Univariato".
  8. Fare clic su EM Means e inserire A, B, C in "Visualizza mezzi per". Fai clic su Continua e torna alla finestra "Univariata".
  9. Fare clic su OK e ottenere il risultato dell'ottimizzazione; Il valore minimo della colonna "Media" nella tabella corrisponde alla variabile ottimale. Fare doppio clic sulla tabella, accedere alla finestra "Tabella pivot", fare clic su Modifica e fare clic su Barra in "Crea grafico" per generare l'istogramma.

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Representative Results

Seguendo il protocollo, le prime tre parti sono state le più importanti, che includono modellazione, mesh e simulazione, il tutto al fine di ottenere la deviazione standard della portata. Quindi, abbiamo completato l'ottimizzazione della struttura della scatola ventilata attraverso esperimenti ortogonali e analisi della gamma. Il modello utilizzato nel protocollo è il modello di scatola con sfiato di riferimento, che è il modello iniziale ottenuto dal riferimento. Nella Figura 4 viene illustrato il risultato del flusso semplificato del modello di scatola ventilata di riferimento, mentre nella Figura 5 viene illustrato il risultato del flusso semplificato della scatola ventilata, che è uno dei modelli utilizzati per l'analisi di sensibilità. Questo modello di scatola ventilata è il modello numero uno nella tabella 1. I flussi di flusso sono le traiettorie del movimento del fluido per visualizzare il flusso di fluido all'interno della scatola ventilata. Come mostrato in Figura 4 e Figura 5, il flusso aerodinamico di quest'ultima scatola ventilata è ancora più disordinato di quello della prima a causa della struttura interna della scatola ventilata. Il Figure 6 mostra il risultato per la distribuzione della velocità del flusso all'interno del modello di scatola ventilata di riferimento e la Figura 7 mostra il risultato per la distribuzione della velocità del flusso all'interno del modello di scatola ventilato, che è uno dei modelli utilizzati per l'analisi di sensibilità. Come mostrato nelle Figure 6 e 7, la portata all'interno della scatola ventilata, che è uno dei modelli utilizzati per l'analisi di sensibilità, è più irregolare.

Per comprendere in modo più intuitivo la distribuzione semplificata all'interno della scatola ventilata, abbiamo stabilito un piano a 0,6 m di distanza dal fondo della scatola ventilata. La portata di ciascun nodo sul piano di output viene utilizzata per il calcolo delle statistiche matematiche. La deviazione standard viene calcolata in base ai punti in Equation 1 cui xie μ rappresentano rispettivamente la portata di ciascun nodo e la portata media di tutti i nodi. La tabella 1 mostra le deviazioni standard delle portate per i 10 gruppi della scatola ventilata utilizzata per l'analisi di sensibilità, incluso il modello di riferimento. Si può vedere che le tre variabili strutturali hanno un certo impatto sulla deviazione standard della portata e il numero di tubi ha il maggiore impatto sulla deviazione standard della portata. Una grande deviazione standard rappresenta una grande differenza tra la maggior parte delle portate e la loro portata media; Una piccola deviazione standard significa che queste portate sono vicine alla loro portata media. Pertanto, si può vedere che la modifica della struttura interna della scatola ventilata può cambiare il suo flusso interno e rendere la linea più omogenea.

Quando si progetta l'esperimento ortogonale, ci sono tre variabili di progettazione in questo articolo: il numero di tubi, il numero di fori nei tubi centrali e il numero di ogni incremento dall'interno al tubo esterno. Ognuna di queste tre variabili ha quattro livelli. Come mostrato nella Tabella 2, 16 gruppi di punti di progettazione sperimentale sono stati ottenuti mediante progettazione sperimentale ortogonale. Le deviazioni standard sono state calcolate dal software di simulazione. Dal numero di punti campione prelevati, si può vedere che il progetto sperimentale ortogonale può raggiungere lo scopo di fornire la massima copertura del valore dei parametri con il minor numero di casi di test.

Alla fine, il metodo di analisi dell'intervallo viene utilizzato come metodo di ottimizzazione per trovare la combinazione ottimale di parametri della struttura. La Figura 8 mostra il risultato dell'ottimizzazione per il parametro strutturale del numero di tubazioni. Da questo, possiamo vedere che il valore minimo si ottiene quando il numero di tubi è 14. La Figura 9 mostra il risultato dell'ottimizzazione per il parametro strutturale relativo al numero di fori nei tubi centrali. Da questo, possiamo vedere che il valore minimo si ottiene quando il numero di fori nei tubi centrali è 14. La Figura 10 mostra il risultato dell'ottimizzazione per il parametro strutturale relativo al numero di incrementi dal tubo interno a quello esterno. Da questo, possiamo vedere che il valore minimo si ottiene quando il numero di incrementi dall'interno al tubo esterno è quattro. L'analisi di cui sopra mostra che la combinazione ottimale è "pipe_number 14, hole_number 14 cumulative_number 4". Per confermare l'accuratezza, il caso ottimale è stato analizzato dal software di simulazione. Le Figure 4 e 11 mostrano il flusso semplificato del modello di riferimento rispetto al modello ottimizzato. Le Figure 6 e 12 mostrano la distribuzione della velocità del flusso all'interno del modello di riferimento rispetto al modello ottimizzato. La tabella 3 mostra un confronto tra i risultati dell'ottimizzazione e i risultati del modello di riferimento. Si può vedere che la deviazione standard calcolata dal modello ottimizzato è inferiore rispetto alla deviazione standard del modello di riferimento. La tabella 4 mostra l'aumento del numero di fori da quattro a sei, con poche variazioni nella deviazione standard, e il modello numero tre è il modello ottimizzato dal punto di vista dei costi di lavorazione. In questo documento, l'ambiente interno della scatola ventilata è migliorato ottimizzando la sua struttura e la qualità del suo ambiente interno è misurata dalla deviazione standard; Minore è la deviazione standard, più omogeneo è il flusso d'aria all'interno della scatola ventilata, il che indica che il metodo di ottimizzazione adottato in questo lavoro è efficace e fattibile.

Tabella dei materiali. La tabella mostra le configurazioni di base per questo studio, che include il computer necessario con un'unità di elaborazione grafica (GPU) ad alte prestazioni e tre software di SolidWorks, Ansys-Workbench e SPSS.

Tabella 1: Analisi della sensibilità dei parametri. La tabella mostra le deviazioni standard delle portate per i 10 gruppi della scatola ventilata utilizzata per l'analisi di sensibilità. Clicca qui per scaricare questa tabella.

Tabella 2: Punti di progettazione sperimentale. Clicca qui per scaricare questa tabella.

Tabella 3: Confronto tra i risultati dell'ottimizzazione e i risultati del modello di riferimento. Clicca qui per scaricare questa tabella.

Tabella 4: Confronto del numero cumulativo di 14 tubi e 14 fori. Clicca qui per scaricare questa tabella.

Figure 1
Figura 1: Modello 3D della scatola ventilata. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.

Figure 2
Figura 2: Diagramma della griglia. (A) La griglia della metà inferiore della scatola ventilata, (B) la griglia della metà superiore della scatola ventilata e (C) la griglia del tubo. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.

Figure 3
Figura 3: Test di indipendenza della rete. L'asse X è il diverso numero totale di griglie nel modello di mesh e l'asse Y è la deviazione standard. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.

Figure 4
Figura 4: Razionalizzare il flusso del modello di scatola con sfiato di riferimento. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.

Figure 5
Figura 5: Flusso semplificato del modello di scatola ventilata. La figura mostra il risultato della razionalizzazione della scatola ventilata, che è un modello utilizzato per l'analisi di sensibilità. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.

Figure 6
Figura 6: Distribuzione della velocità del flusso all'interno del modello di scatola con sfiato di riferimento. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.

Figure 7
Figura 7: Distribuzione della velocità del flusso all'interno del modello di scatola ventilata. La figura mostra il risultato per la distribuzione della velocità del flusso all'interno della scatola ventilata, che è un modello utilizzato per l'analisi di sensibilità. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.

Figure 8
Figura 8: Risultati dell'ottimizzazione per il numero di tubi. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.

Figure 9
Figura 9: Risultati dell'ottimizzazione per il numero di fori nei tubi centrali. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.

Figure 10
Figura 10: Risultato dell'ottimizzazione del numero di incrementi dall'interno al tubo esterno. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.

Figure 11
Figura 11: Flusso semplificato del modello di scatola ventilata ottimizzato. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.

Figure 12
Figura 12: Distribuzione della velocità del flusso all'interno del modello di scatola ventilata ottimizzata. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.

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Discussion

Grazie alle sue elevate prestazioni e alla sua struttura complessa, in questo studio abbiamo costruito una scatola ventilata basata su software di modellazione. Abbiamo analizzato il flusso interno mediante software di simulazione. Il software di simulazione è noto per le sue avanzate capacità di modellazione fisica, che includono modellazione della turbolenza, flussi monofase e multifase, combustione, modellazione della batteria, interazione fluido-struttura e molto altro. Il metodo di selezione del campione utilizzato in questo documento è il metodo di progettazione sperimentale ortogonale, che è adatto per la produzione meccanica e altri campi grazie al suo metodo scientifico, al funzionamento semplice, al vantaggio in termini di risparmio dei costi e all'effetto notevole. Il metodo di analisi dell'intervallo può ottenere i fattori primari e secondari e la combinazione ottimale dell'esperimento attraverso un semplice calcolo.

I risultati dipendono da alcuni componenti critici di questa configurazione all'interno del protocollo. In primo luogo, quando si crea il modello 3D del pacco batteria, dare a ciascun corpo e superficie nel modello un nome facilmente riconoscibile è un passaggio chiave per aggiungere successivamente materiale, creare un'interfaccia mesh e impostare le condizioni al contorno. In secondo luogo, prima di determinare importanti parametri strutturali, è necessario eseguire un'analisi di sensibilità dei parametri per selezionare i parametri strutturali più importanti. In terzo luogo, quando si utilizza ciascun software, è necessario impostare accuratamente ciascun parametro, in particolare l'unità del parametro.

Dopo aver importato il modello di griglia, è necessario risolvere i problemi relativi al modello di mesh e fare clic su Controlla per verificare se la mesh ha un volume negativo. Se si verifica un problema con le impostazioni della griglia divisa o del modello, verrà visualizzato un messaggio di errore. Il limite principale di questo studio è che il modello 3D utilizzato è costruito dopo aver semplificato la vera scatola ventilata. Il flusso interno della scatola ventilata simulata sarà leggermente diverso da quello reale. Il risultato può essere vicino alla realtà, ma non esattamente. Questo metodo di ottimizzazione si applica ai parametri strutturali di tipo intero, ad esempio il numero di tubi e fori. Rispetto all'algoritmo genetico e all'ottimizzazione dell'algoritmo di ricottura, i risultati dell'ottimizzazione in questo articolo sono inferiori ai risultati dell'ottimizzazione dell'algoritmo; Tuttavia, in ingegneria, la struttura dei parametri di tipo intero Aspect è più adatta per la produzione di prodotti.

Questa tecnologia può non solo ottenere dati di test e prodotti di test di alta qualità e alta affidabilità, ma anche aiutarci a padroneggiare la relazione interna tra i soggetti del test nell'analisi dei dati di test. Questo protocollo aiuterà a stabilire un metodo di ottimizzazione considerando contemporaneamente il consumo energetico e le prestazioni della scatola ventilata e può essere ampiamente utilizzato per prolungare il tempo di conservazione degli alimenti freschi. Questa tecnica può essere utilizzata anche nella progettazione meccanica, nella progettazione architettonica e in altri campi.

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Disclosures

Gli autori non hanno nulla da rivelare.

Acknowledgments

Questa ricerca è supportata dal Wenzhou Science and Technology Bureau of China (Wenzhou major scientific and technological innovation project under Grant No. ZG2020029). La ricerca è finanziata dalla Wenzhou Association for Science and Technology con Grant No. KJFW09. Questa ricerca è stata supportata dal 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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

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