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方法文章

高性能通气箱体的设计与优化策略

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DOI：

10.3791/65076

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2023年6月9日

 ,  ,  ,  ,  , 
1College of Mechanical and Electrical Engineering, Wenzhou University, 2Institute of Laser and Optoelectronics Intelligent Manufacturing, Wenzhou University

本文内容

摘要

本文介绍了范围分析方法，用于优化正交实验设计生成的样本点，以通过调节通风箱内的气流模式，确保生鲜食品能够长期储存。

摘要

本研究旨在通过在恒定能耗条件下优化通风箱内部结构，解决因气流分布不均导致的通风箱内气流紊乱及性能不佳的问题。最终目标是实现通风箱内部气流的均匀分布。针对三个结构参数进行了敏感性分析：管道数量、中间管道上的孔数，以及从内到外各管道孔数的逐级增量。采用正交实验设计方法，确定了三个结构参数各取四个水平的共16组随机数组合。利用商业软件为所选实验点构建三维模型，并基于该模型获取各实验点的气流速度，进而计算出每个实验点的气流速度标准差。根据极差分析结果，对三个结构参数的组合进行了优化。换言之，建立了一种兼顾通风箱性能的高效且经济的优化方法，该方法可广泛应用于延长新鲜食品的储存时间。

引言

新鲜蔬菜和水果在人类食物消费中占据很大比例，不仅因为它们口感好、外形诱人，更因为它们对人们获取营养和维持健康具有重要益处1。许多研究表明，新鲜水果和蔬菜在预防多种疾病方面发挥着独特作用2,3。在新鲜果蔬的贮藏过程中，真菌、光照、温度和相对湿度是导致其品质劣变的重要原因4,5,6,7,8。这些外部条件通过影响果蔬内部的代谢过程或化学反应，进而影响贮藏期间的新鲜果蔬品质9。

水果和蔬菜的常见处理技术包括非热和热力保鲜。其中，热预处理对干燥过程具有积极影响，但也可能对产品质量产生不利影响，例如营养成分流失、风味和气味改变以及颜色变化10,11。因此，近年来从研究角度出发，非热保鲜技术受到关注，以满足消费者对新鲜产品的需求。目前主要的非热保鲜技术包括辐射处理、脉冲电场、臭氧处理、可食用涂膜、高压二氧化碳以及其他用于果蔬贮藏的非热保鲜技术，但这些技术常存在一些缺点，如需要大型设备、价格昂贵以及使用成本高12。因此，设计结构简单、成本低廉且便于控制的保鲜设备对食品工业具有重要意义。

在果蔬贮藏环境中，合理的空气循环系统有助于消除产品自身产生的热量，减小温度梯度，并维持其所处空间内的温度和湿度。适当的空气流通还可减少因呼吸作用导致的失重以及真菌感染13,14,15。已有大量研究针对不同结构内的气流状况展开。Praeger 等人16,17通过传感器测量了仓库中不同风机运行功率下各位置的风速，发现由于垂直高度不同，风速差异可达七倍之多，且各位置的风速与风机运行功率呈正相关。此外，有研究考察了货物排列方式和风机数量对气流的影响，结论表明，适当增加部分风机位置的间距并合理选择风机数量有助于提升气流效果。Berry 等人18研究了不同水果贮藏环境中气流对包装箱内气孔分布的影响。Dehghannya 等人19,20利用模拟软件研究了强制预冷气流在包装壁上具有不同通风面积、数量和分布位置时的气流状态，获得了各参数对气流状态的非线性影响规律。Delele 等人21应用计算流体动力学模型研究了在不同形式通风箱中随机分布的产品对气流的影响，发现产品尺寸、孔隙率和箱体开孔率对气流影响较大，而随机填充的影响较小。Ilangovan 等人22研究了三种包装结构之间的气流模式和热行为，并将结果与参考结构模型进行比较，结果表明，由于通风口的位置和设计不同，箱内热量分布并不均匀。Gong 等人23优化了托盘边缘与容器壁之间间隙的宽度。

本文所采用的技术包括模拟与优化方法。前者的原理是将控制方程通过有限体积法进行离散并进行数值求解21。本文所使用的优化方法称为正交优化24。正交试验是一种典型的多因素、多水平分析方法。利用该方法构建的正交表包含在设计空间中均匀分布的代表性测试点，能够直观地描述整个设计空间并进行考察。也就是说，通过较少的试验点即可代表全部因素的完整试验，从而大大节省时间、人力、物力和财力。正交试验已广泛应用于电力系统、化学、土木工程等领域的实验设计中25。

本研究的目标是设计并优化一种高性能通风箱。通风箱可定义为包含气体控制装置的原始箱体，该装置能够将气体在箱内均匀分散。速度均匀性是指空气流经通风箱时的均匀程度。Yun-De 等人26此前已表明，多孔材料的特性对新鲜蔬菜箱的速度均匀性具有重要影响。在一些实验中，测试腔体的顶部和底部均留有稳压腔或调节腔，以确保强制或诱导气流的均匀分布27。本文设计的通风箱包含带有锯齿形孔的管道阵列。控制通风箱内的气流分布是主要的保鲜策略。通风箱左右两侧平行设置两个尺寸相同的进气口，出气口则位于箱体上侧。设计通风箱的内部结构是本研究的关键。换句话说，管道和孔的数量是改变通风箱内部结构的重要参数。参考模型包含10根管道。中间两根管道各有10个孔，沿管道交错排列。从中间管道向外侧管道，孔的数量每次增加2个。

换句话说，在贮藏新鲜蔬菜、水果及其他产品时，持续且稳定的气流可以降低产品的呼吸作用，减少乙烯等不利于产品保鲜的有害物质，并降低产品自身产生的热量。由于通气箱的结构参数各不相同，难以获得所需的气流状态，从而会影响通气箱的保鲜性能。因此，本项目以通气箱内部气流速度的均匀性作为控制目标，对通气箱的结构参数进行敏感性分析。采用正交实验设计选取样本，通过极差分析优化三个结构参数的组合，同时验证优化结果的合理性。

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方案

1. 模拟前处理

注意：考虑到管道阵列，通风箱模型的三维下半部分和上半部分是通过三维软件建立并保存为 X_T 文件，整体尺寸如图1所示。配置详见材料表。

  1. 运行仿真软件，从"Component Systems"中将Mesh组件拖动至"Project Schematic"窗口，命名为"the bottom"。右键单击Geometry，点击Browse以导入底部X_T文件。
  2. 右键单击Geometry，点击New DesignModeler Geometry进入"Mesh-Designmodeler"窗口，点击Generate以显示底部模型。
  3. 右键单击上表面，点击Named Selection将其重命名为"vented box_upper"。选择Selection Filter: Bodies。右键单击底部模型以选择Named Selection，并将其重命名为"the bottom"。
  4. 选择Selection Filter: Faces，并将"Select Mode"切换为Box Select。选择所有内表面，右键单击选择Named Selection，并将其重命名为"inner surfaces_external"，后续将其定义为机械接口。返回初始窗口。
  5. 双击底部的Mesh，进入"Meshing"窗口。将"Physical Preferences"从Mechanical更改为CFD。点击Update以生成网格模型。返回初始窗口。
  6. 从"Component Systems"中将Mesh组件拖动至"Project Schematic"窗口，命名为"top"。右键单击Geometry，点击Browse以导入顶部X_T文件。
  7. 右键单击Geometry，点击New DesignModeler Geometry进入"Mesh-Designmodeler"窗口。点击Generate以显示顶部模型。
  8. 右键单击下表面，点击Named Selection将其重命名为"vented box_lower"。选择Selection Filter: Bodies。右键单击顶部模型以选择Named Selection，并将其重命名为"top"。
  9. 选择Selection Filter: Faces。右键单击上表面，点击Named Selection将其重命名为出口。返回初始窗口。
  10. 双击顶部的Mesh，进入"Meshing"窗口。将"Physical Preferences"从Mechanical更改为CFD。右键单击Mesh，在"Insert"中选择Sizing。选择Selection Filter: Bodies。选择顶部模型，并在"Element Size"中输入18。点击Update。返回初始窗口。
  11. 从"Component Systems"中将Mesh组件拖动至"Project Schematic"窗口，命名为管道。通过点击Geometry导入管道X_T文件。
  12. 进入"Mesh-Designmodeler"窗口。点击Generate以再次显示管道模型。
  13. 选择管道的两个端面，并将其标记为"inlet1"和"inlet2"，并通过体选择将管道整体标记为管道。
  14. 通过框选所有内表面，将其标记为"inner surfaces_internal"，后续将其定义为网格接口。返回初始窗口。
  15. 双击管道的Mesh，进入"Meshing"窗口。将"Physical Preferences"从Mechanical更改为CFD。点击"Update"即可生成网格模型。返回初始窗口。
    注：图2A显示了通气箱下半部分的网格，图2B显示了通气箱上半部分的网格，图2C显示了管道的网格。如图3所示，当网格数量从4,137,724增加至5,490,081时，标准偏差的变化小于0.0008。综合考虑计算能力与精度，后续分析基于包含4,448,536个网格的网格模型进行。

2. 模拟分析

注意：以下操作描述基于从设置、求解到结果的仿真分析一般流程。

  1. 将Simulation组件拖动到"Project Schematic"窗口中。连接三个Mesh组件至仿真组件，并更新以进入。
  2. 设置
    注意："Setup"包含五个步骤：General（通用设置）、Models（模型）、Materials（材料）、Cell Zone Conditions（单元区域条件）和Boundary Conditions（边界条件）。
    1. General（通用设置）：验证网格模型的有效性，检查网格是否存在负体积。选择Steady（稳态）。对于松弛因子、残差和时间尺度因子，采用默认值。若划分的网格或模型设置存在问题，系统将弹出错误提示信息。
    2. Models（模型）：进入"Viscous Model"（粘性模型）设置界面，选择K-epsilon Model（k-ε模型）。
    3. Materials（材料）：设置"air"（空气）材料。
    4. Cell Zone Conditions（单元区域条件）：将单元区域类型更改为Fluid（流体）。
  3. 边界条件
    1. 将vented box_upper、vented box_lower、inner surfaces_external和inner surfaces_internal的类型从默认的"Wall"（壁面）更改为"Interface"（界面）。
      注意：完成上述步骤后，仿真软件将立即生成"Mesh Interfaces"（网格界面）。
    2. 打开Mesh Interfaces（网格界面），进入"Create/Edit Mesh Interfaces"（创建/编辑网格界面）窗口。将inner surfaces_external与inner surfaces_internal配对，将vented box_upper与vented box_lower配对。最终在通气箱中创建两个网格界面，并分别命名为interface1和interface2。
    3. 在"Velocity Inlet"（速度入口）窗口中，将所有入口的气流速度设置为8.9525 m/s；在"Pressure Outlet"（压力出口）窗口中，将出口的表压设置为零。
  4. 求解
    1. 初始化前，将求解初始化方式设置为Standard Initialization（标准初始化）。
    2. 将Number of Iterations（迭代次数）设置为2,000。
    3. 点击Calculate（计算）以启动仿真，仿真结束后返回初始窗口。
  5. 结果
    1. 点击Results（结果），进入"CFD Post"窗口，并点击工具栏中的streamline（流线）图标。
    2. 在"Start From"（起始位置）中选择outlet（出口），在"Direction"（方向）中选择Backward（反向）。点击Apply（应用）以生成通气箱内部的流场图。
    3. 在"Location"（位置）中点击Plane（平面），在"Method"（方法）中选择ZX Plane（ZX平面），输入值设为0.6。点击Apply以生成距离底面0.6 m的平面。
    4. 点击工具栏中的Contour（等值线）图标，在"Locations"（位置）中选择Plane 1（平面1），在"Variable"（变量）中选择Velocity（速度），在"Range"（范围）中选择Local（局部）。点击Apply以生成速度等值线图。
    5. 导出上述生成平面的流量数据，并在电子表格软件（如Excel）中获取流量的标准差。
      ​注意：对通气箱的三个结构变量进行了敏感性分析。管道数量设置四个水平：8、10、12和14；中间管道上的孔数设置四个水平：8、10、12和14；从内到外每根管道的增量数设置四个水平：0、2、4和6。根据这些结构参数的变化修改基础模型，重复步骤1.1至2.5共10次，获得表1中的数据。由表可知，这三个结构参数对流量标准差具有一定影响。

3. 正交实验设计与极差分析

  1. 运行统计分析软件。在"正交设计"中点击数据和生成。
  2. 在"因子名称"中输入pipe_number，在"因子标签"中输入A。点击添加并点击定义值，为管道数量设置四个水平。点击继续并返回到"生成正交设计"窗口。
  3. 在"因子名称"中输入whole_number，在"因子标签"中输入B。点击添加并点击定义值，为孔洞数量设置四个水平。点击继续并返回到"生成正交设计"窗口。
  4. 在"因子名称"中输入cumulative_number，在"因子标签"中输入C。点击添加并点击定义值，为增量次数设置四个水平。点击继续并返回到"生成正交设计"窗口。
  5. 点击创建新数据文件以生成16个数组样本。点击变量视图，在"测量"中选择名义，在"角色"中选择输入。将其重命名为"standard_deviation×100000"。
  6. 对上述样本点重复步骤1.1至2.5；所得的16个标准差乘以100,000后填入样本列表，用于后续优化。
  7. 在"一般线性模型"中点击分析和单变量。将standard_deviation×100000填入"因变量"，将pipe_number、hole_number、cumulative_number填入"固定因子(s)"。点击模型和构建项。将交互更改为主效应。将A, B, C填入"模型"。点击继续并返回到"单变量"窗口。
  8. 点击EM平均值，将A, B, C填入"显示平均值"。点击继续并返回到"单变量"窗口。
  9. 点击确定以获得优化结果；表格中"均值"列的最小值对应最优变量。双击表格，进入"透视表"窗口，点击编辑，然后在"创建图形"中点击条形图以生成直方图。

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结果

根据该方案，前三个部分最为重要，包括建模、网格划分和模拟，目的均为获得流量的标准差。随后，我们通过正交实验和极差分析完成了通气箱体的结构优化。方案中所使用的模型为参考通气箱体模型，即从参考文献中获得的初始模型。 图4 显示了参考通气箱模型简化气流的结果，以及 图5 展示了通气箱模型中气流简化的结果，该模型是用于敏感性分析的模型之一。此通气箱模型为模型编号一 表1流线是流体运动的轨迹，用于可视化通风箱内流体的流动情况。如图所示 图4 和 图5由于导流箱的内部结构，后者的导流箱气流比前者更加混乱。 图6 显示参考通风箱模型内部流速分布的结果，以及 图7 显示了通风箱模型内部流速分布的结果...

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讨论

由于其高性能和复杂结构，本研究基于建模软件构建了一个通风箱，并通过仿真软件分析了其内部流场。仿真软件以其先进的物理建模能力而著称，包括湍流建模、单相与多相流、燃烧、电池建模、流固耦合等。本文采用的样本选择方法为正交实验设计法，该方法因其科学性、操作简便、节约成本以及显著的效果，适用于机械生产等多个领域。通过简单的计算，极差分析法即可获得实验中的主次因素及最优组合。

结果依赖于该实验方案中设置的某些关键组件。首先，在创建电池组的三维模型时，为模型中的每个实体和表面赋予易于识别的名称，是后续添加材料、创建网格界面以及设置边界条件的关键步骤。其次，在确定重要结构参数之前，必须进行参数敏感性分析，以筛选出更为重要的结构参数。第三，在操作各软件时，必须准确设置每个参数，尤其是参数的单位。

导入网格模型后，应检查网格模型，并点击检查以确认网格是否存在负体积。若划分的网格或模型设置存在问题，系统将弹出错误提示。本研究的主要局限在于所使用的三维模型是在对实际带通风孔箱体进行简化后构建的，因此模拟箱体内部的流动...

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披露

作者无任何利益冲突需要披露。

致谢

本研究由中华人民共和国温州市科学技术局（温州市重大科技创新项目，项目编号：ZG2020029）资助。研究还获得温州市科学技术协会（项目编号：KJFW09）的经费支持。本研究同时得到温州市市级重点科研项目计划（ZN2022001）的支持。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
硬件
NVIDIA GPUNVIDIAN/A需要配备 NVIDIA GPU，因为以下某些软件框架在无此硬件的情况下无法运行。https://www.nvidia.com
软件
Ansys-WorkbenchANSYSN/A多用途有限元法计算机设计程序软件。https://www.ansys.com
SOLIDWORKSDassault SystemesN/ASOLIDWORKS 提供多种设计解决方案，可减少设计过程中的错误，并提升产品质量
www.solidworks.com
SPSSIBMN/A用于统计分析操作、数据挖掘、预测分析和决策支持任务的软件产品。https://www.ibm.com

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