Name: Stratégies de conception et d’optimisation d’une boîte ventilée performante (Vidéo) | JoVE Journal
Uploaded: 2023-06-09T14:00:00.000+00:00
Duration: 14 min 23 s
Description: Découvrez une méthode d'optimisation de la distribution d'air dans une boîte ventilée pour le stockage des aliments frais. Cette approche améliore les performances tout en maintenant une consommation énergétique constante.

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Cette recherche est soutenue par le Bureau chinois de la science et de la technologie de Wenzhou (projet majeur d’innovation scientifique et technologique de Wenzhou sous le numéro de subvention ZG2020029). La recherche est financée par l’Association de Wenzhou pour la science et la technologie avec la subvention n ° KJFW09. Cette recherche a été financée par le Wenzhou Municipal Key Science and Research Program (ZN2022001).

1. Traitement de pré-simulation
REMARQUE : Compte tenu des réseaux de tuyaux, la moitié inférieure tridimensionnelle et la moitié supérieure des modèles de boîtes ventilées sont établies à l’aide d’un logiciel tridimensionnel et en les enregistrant sous forme de fichiers X_T, les dimensions globales sont indiquées à la figure 1. Les configurations sont indiquées dans le tableau des matériaux.
<ol><li>Exécutez le logiciel de simulation et faites glisser le composant Mesh de la fenêtre « Systèmes de composants » vers la fenêtre « Schéma du projet ». Nommez-le « le fond ». Cliquez avec le bouton droit sur Géométrie , puis cliquez sur Parcourir pour importer le fichier X_T inférieur.</li>
	<li>Cliquez avec le bouton droit de la souris sur Géométrie, cliquez sur Nouvelle géométrie DesignModeler pour accéder à la fenêtre « Mesh-Designmodeler », puis cliquez sur Générer pour afficher le modèle inférieur.</li>
	<li>Cliquez avec le bouton droit sur la surface supérieure, puis cliquez sur Sélection nommée pour la renommer « box_upper ventilée ». Sélectionnez Filtre de sélection : Corps. Cliquez avec le bouton droit sur le modèle inférieur pour sélectionner la sélection nommée et la renommer en « le bas ».</li>
	<li>Sélectionnez Sélection Filtre: Visages et basculez le « Mode de sélection » sur Box Select. Sélectionnez toutes les surfaces intérieures, cliquez avec le bouton droit de la souris pour sélectionner la sélection nommée et renommez-la en « surfaces_external interne », définie ultérieurement comme interfaces mécaniques. Revenez à la fenêtre initiale.</li>
	<li>Double-cliquez sur le maillage inférieur. Entrez dans la fenêtre « Maillage ». Changez les « Préférences physiques » de Mécanique à CFD. Cliquez sur Mettre à jour pour générer le modèle de maillage. Revenez à la fenêtre initiale.</li>
	<li>Faites glisser le composant Meshde la fenêtre « Systèmes de composants » vers la fenêtre « Schéma du projet ». Nommez-le « top ». Cliquez avec le bouton droit sur Géométrie , puis cliquez sur Parcourir pour importer le fichier X_T supérieur.</li>
	<li>Cliquez avec le bouton droit de la souris sur Geometry ( Géométrie ) et cliquez sur New DesignModeler Geometry (Nouvelle géométrie DesignModeler ) pour accéder à la fenêtre « Mesh-Designmodeler ». Cliquez sur Générer pour afficher le modèle supérieur.</li>
	<li>Cliquez avec le bouton droit sur la surface inférieure, puis cliquez sur Sélection nommée pour la renommer « box_lower ventilée ». Sélectionnez Filtre de sélection : Corps. Cliquez avec le bouton droit sur le modèle supérieur pour sélectionner la sélection nommée et la renommer en « top ».</li>
	<li>Sélectionnez Filtre de sélection : Visages. Cliquez avec le bouton droit sur la surface supérieure, puis cliquez sur Sélection nommée pour la renommer en tant que prise. Revenez à la fenêtre initiale.</li>
	<li>Double-cliquez sur le maillage supérieur. Entrez dans la fenêtre « Maillage ». Changez les « Préférences physiques » de Mécanique à CFD. Cliquez avec le bouton droit de la souris sur Mesh pour sélectionner le dimensionnement dans le bouton « Insérer ». Sélectionnez Filtre de sélection : Corps. Sélectionnez le modèle supérieur et tapez 18 dans « Taille de l’élément ». Cliquez sur Mettre à jour. Revenez à la fenêtre initiale.</li>
	<li>Faites glisser le composant Mesh de la fenêtre « Systèmes de composants » vers la fenêtre « Schéma du projet ». Nommez-le comme le tuyau. Importez le fichier de X_T de tuyau en cliquant sur Géométrie.</li>
	<li>Entrez dans la fenêtre « Mesh-Designmodeler ». Cliquez sur Générer pour afficher à nouveau le modèle de canalisation.</li>
	<li>Sélectionnez les deux faces d’extrémité du tuyau et étiquetez-les comme « inlet1 » et « inlet2 », et le tuyau par corps sélectionne et étiquette comme tuyau.</li>
	<li>Toutes les surfaces intérieures par sélection de boîte sont étiquetées comme « surfaces_internal intérieures », définies comme interfaces maillées ultérieurement. Revenez à la fenêtre initiale.</li>
	<li>Double-cliquez sur le maillage du canal. Entrez dans la fenêtre « Maillage ». Changez les « Préférences physiques » de Mécanique à CFD. Le modèle de maillage peut être généré en cliquant sur « Mettre à jour ». Revenez à la fenêtre initiale. REMARQUE : La figure 2A montre la grille de la moitié inférieure de la boîte ventilée, la figure 2B montre la grille de la moitié supérieure de la boîte ventilée et la figure 2C montre la grille du tuyau. Comme le montre la figure 3, le nombre de grilles passant de 4 137 724 à 5 490 081, les variations de l’écart-type sont inférieures à 0,0008. Compte tenu de la capacité de calcul et de la précision, l’analyse suivante est basée sur un modèle de grille avec 4 448 536 grilles.</li>
</ol>2. Analyse de simulation
Remarque : Les opérations suivantes sont décrites en fonction de la séquence générale de l’analyse de simulation de la configuration à la solution au résultat.
<ol><li>Faites glisser le composant Simulation vers la fenêtre « Schéma du projet ». Liez trois composants de maillage au composant de simulation et mettez à jour pour entrer.</li>
	<li>Coup monté REMARQUE: La « configuration » se compose de cinq étapes: Général, Modèles, Matériaux, Conditions de zone cellulaire et Conditions aux limites.<ol><li>Général : vérifiez la validité du modèle de maillage. Vérifiez si le maillage a un volume négatif. Sélectionnez Stable. Pour les facteurs de relaxation, résiduel et échelle de temps, sélectionnez les valeurs par défaut. En cas de problème avec les paramètres de la grille divisée ou du modèle, un message d’erreur apparaîtra.</li>
		<li>Modèles : Entrez dans l’interface de réglage de « Modèle visqueux » pour sélectionner le modèle K-epsilon.</li>
		<li>Matériaux: Réglez le matériau « air ».</li>
		<li>Conditions de la zone cellulaire : remplacez le type de zone cellulaire par Fluide.</li>
	</ol></li>
	<li>Conditions aux limites<ol><li>Convertissez le type de box_upper ventilée, de box_lower ventilée, de surfaces_external intérieure et de surfaces_internal intérieure du « Mur » par défaut à « Interface ». REMARQUE: Le logiciel de simulation génère immédiatement les « Interfaces Mesh » après avoir terminé l’étape ci-dessus.</li>
		<li>Ouvrez Interfaces maillées et entrez dans la fenêtre « Créer/Modifier des interfaces maillées ». Faites correspondre surfaces_external intérieure à surfaces_internal intérieure. Match ventilé box_upper à ventilé box_lower. Enfin, les deux interfaces maillées sont créées dans la boîte ventilée et nommées interface1 et interface2, respectivement.</li>
		<li>Réglez les vitesses d’écoulement d’air de toutes les entrées à 8,9525 m/s dans la fenêtre « Velocity Inlet » et la pression manométrique de la sortie à zéro dans la fenêtre « Pressure Outlet ».</li>
	</ol></li>
	<li>Solution<ol><li>Définissez le style d’initialisation de la solution sur Initialisation standard avant l’initialisation.</li>
		<li>Définissez le nombre d’itérations sur 2 000.</li>
		<li>Cliquez sur Calculer pour démarrer la simulation et revenir à la fenêtre initiale jusqu’à la fin de la simulation.</li>
	</ol></li>
	<li>Résultats<ol><li>Cliquez sur Résultats. Entrez dans la fenêtre « CFD Post » et cliquez sur l’icône de rationalisation de dans la boîte à outils.</li>
		<li>Sélectionnez la prise dans « Démarrer à partir de » et Reculer dans « Direction ». Cliquez sur Appliquer pour générer le diagramme de flux interne de la boîte ventilée.</li>
		<li>Cliquez sur Plan dans « Emplacement », sélectionnez Plan ZX dans « Méthode » et sélectionnez la valeur d’entrée 0,6. Cliquez sur Appliquer pour générer le plan à 0,6 m de la surface inférieure.</li>
		<li>Cliquez sur l’icône Contour dans la boîte à outils, sélectionnez Plan 1 dans « Emplacements », sélectionnez Vitesse dans « Variable » et sélectionnez Local dans « Plage ». Cliquez sur Appliquer pour générer le contour de vitesse.</li>
		<li>Exportez les données de débit pour le plan généré ci-dessus. Acquérir l’écart-type du débit dans un tableur (p. ex., Excel). NOTA : Une analyse de sensibilité de trois variables structurelles de la boîte ventilée a été effectuée. Le nombre de tuyaux comporte quatre niveaux: huit, 10, 12 et 14. Le nombre de trous dans les tuyaux du milieu comporte quatre niveaux: huit, 10, 12 et 14. Le nombre de chaque incrément de l’intérieur vers l’extérieur du tuyau comporte quatre niveaux : zéro, deux, quatre et six. Modifiez le modèle de base en fonction des changements dans ces paramètres structurels. Répétez les étapes 1.1 à 2.5 10 fois pour obtenir les données du tableau 1. Il ressort du tableau que les trois paramètres structurels ont certains effets sur l’écart type du débit.</li>
	</ol></li>
</ol>3. Plan d’expérience orthogonale et analyse de la gamme
<ol><li>Exécutez le logiciel d’analyse statistique. Cliquez sur Données et générez-les dans « Conception orthogonale ».</li>
	<li>Entrez pipe_number dans « Nom du facteur » et A dans « Étiquette du facteur ». Cliquez sur Ajouter et définir des valeurs pour définir quatre niveaux pour le nombre de tuyaux. Cliquez sur Continuer et revenez à la fenêtre « Générer la conception orthogonale ».</li>
	<li>Entrez whole_number dans « Nom du facteur » et B dans « Étiquette du facteur ». Cliquez sur Ajouter et définir des valeurs pour définir quatre niveaux pour le nombre de trous. Cliquez sur Continuer et revenez à la fenêtre « Générer la conception orthogonale ».</li>
	<li>Entrez cumulative_number dans « Nom du facteur » et C dans « Étiquette du facteur ». Cliquez sur Ajouter et définir des valeurs pour définir quatre niveaux pour le nombre d’incréments. Cliquez sur Continuer et revenez à la fenêtre « Générer la conception orthogonale ».</li>
	<li>Cliquez sur Créer un nouveau fichier de données pour générer 16 échantillons de tableau. Cliquez sur Vue variable pour sélectionner Nominal dans « Mesure » et Entrée dans « Rôle ». Renommez-le en « standard_deviation×100000 ».</li>
	<li>Répétez les étapes 1.1 à 2.5 avec les points d’échantillonnage ci-dessus; Les 16 écarts-types résultants multipliés par 100 000 sont remplis dans la liste d’échantillons pour une optimisation ultérieure.</li>
	<li>Cliquez sur Analyser et univarié dans « Modèle linéaire général ». Remplissez standard_deviation×100000 dans « Variable dépendante » et pipe_number, hole_number, cumulative_number dans « Facteur(s) fixe(s) ». Cliquez sur Termes de modèle et de génération. Remplacez Interaction par Effets principaux. Remplissez A, B, C dans « Modèle ». Cliquez sur Continuer et revenez à la fenêtre « Univarié ».</li>
	<li>Cliquez sur EM Means et remplissez A, B, C dans « Display Means For ». Cliquez sur Continuer et revenez à la fenêtre « Univarié ».</li>
	<li>Cliquez sur OK et obtenez le résultat de l’optimisation; La valeur minimale de la colonne « moyenne » du tableau correspond à la variable optimale. Double-cliquez sur le tableau, entrez dans la fenêtre « Tableau croisé dynamique », cliquez sur Modifier, puis cliquez sur Barre dans « Créer un graphique » pour générer l’histogramme.</li>
</ol>

<ol><li>Villa-Rodriguez, J. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Maintaining+antioxidant+potential+of+fresh+fruits+and+vegetables+after+harvest%5BTitle%5D)+AND+%22Critical+Reviews+in+Food+Science+and+Nutrition%22%5BJournal%5D)">Maintaining antioxidant potential of fresh fruits and vegetables after harvest.</a> Critical Reviews in Food Science and Nutrition. 55 (6), 806-822 (2015).</li>
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<li>Xue, Z., Li, J., Yu, W., Lu, X., Kou, X. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Effects+of+nonthermal+preservation+technologies+on+antioxidant+activity+of+fruits+and+vegetables%3A+A+review%5BTitle%5D)+AND+%22Food+Science+and+Technology+International%22%5BJournal%5D)">Effects of nonthermal preservation technologies on antioxidant activity of fruits and vegetables: A review.</a> Food Science and Technology International. 22 (5), 440-458 (2016).</li>
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</ol>

Les auteurs n’ont rien à divulguer.

En raison de ses performances élevées et de sa structure complexe, dans cette étude, nous avons construit une boîte ventilée basée sur un logiciel de modélisation. Nous avons analysé le flux interne par un logiciel de simulation. Le logiciel de simulation est connu pour ses capacités avancées de modélisation physique, qui comprennent la modélisation de la turbulence, les écoulements monophasiques et multiphasiques, la combustion, la modélisation de batterie, l’interaction fluide-structure, et bien plus encore. La méthode...

Les légumes et les fruits frais occupent une proportion élevée de la consommation alimentaire humaine, non seulement parce qu’ils ont bon goût et une forme attrayante, mais aussi parce qu’ils sont très bénéfiques pour les personnes pour obtenir une nutrition et maintenir la santé1. De nombreuses études ont montré que les fruits et légumes frais jouent un rôle unique dans la prévention de nombreuses maladies 2,3. Dans le processus de stockage des fruits et légumes frais, les champignons, la lumière, la température et l’humidité relative sont les principales raisons de leur détérioration 4,5,6,7,8. Ces conditions externes affectent la qualité des fruits et légumes frais stockés en affectant le métabolisme interne ou les réactions chimiques9.
Les technologies de traitement courantes pour les fruits et légumes comprennent la conservation non thermique et thermique. Parmi eux, le prétraitement thermique a un effet positif sur le processus de séchage, mais il peut également avoir des effets néfastes sur la qualité du produit, tels que la perte de nutriments, le changement de saveur et d’odeur et le changement de couleur10,11. Par conséquent, ces dernières années, la conservation non thermique des produits a fait l’objet d’une attention du point de vue de la recherche pour répondre à la demande des consommateurs de produits frais. À l’heure actuelle, il existe principalement le traitement par rayonnement, le champ électrique pulsé, le traitement de l’ozone, les revêtements comestibles, le dioxyde de carbone en phase dense et d’autres technologies de conservation non thermique pour stocker les fruits et légumes, mais ces technologies présentent souvent des lacunes, telles que la nécessité de gros équipements, le prix élevé et le coût d’utilisation12. Par conséquent, la conception d’une structure simple, peu coûteuse et d’un contrôle pratique de l’équipement de conservation est très significative pour l’industrie alimentaire.
Dans l’environnement de stockage des fruits et légumes, un système de circulation d’air approprié aide à éliminer la chaleur générée par le produit lui-même, à réduire le gradient de température et à maintenir la température et l’humidité dans l’espace où il se trouve. Une bonne circulation de l’air empêche également la perte de poids due à la respiration et aux infections fongiques13,14,15. De nombreuses études ont été menées sur l’écoulement de l’air à l’intérieur de différentes structures. Praeger et coll.16,17 ont mesuré la vitesse du vent à différentes positions sous différentes puissances de fonctionnement du ventilateur dans un entrepôt à l’aide de capteurs et ont constaté qu’il pouvait y avoir une différence de vitesse de l’air aussi grande que sept fois supérieure en raison de différentes hauteurs verticales, et la vitesse de l’air à chaque position était positivement corrélée avec la puissance de fonctionnement du ventilateur. En outre, une étude a examiné l’effet de la disposition du chargement et du nombre de ventilateurs sur le flux d’air, et il a été conclu que l’augmentation de la distance de certaines positions de ventilateurs et le choix rationnel du nombre de ventilateurs étaient utiles pour améliorer l’effet. Berry et coll.18 ont étudié l’effet du flux d’air dans différents environnements d’entreposage des fruits sur la distribution des stomates dans les boîtes d’emballage. À l’aide d’un logiciel de simulation, Dehghannya et coll.19,20 ont étudié l’état d’écoulement de l’air forcé pré-froid dans l’emballage avec différentes zones d’évent, quantités et positions de distribution sur la paroi de l’emballage, et ont obtenu l’influence non linéaire de chaque paramètre sur l’état du flux d’air. Delele et coll.21 ont appliqué un modèle numérique de dynamique des fluides pour étudier l’influence de produits distribués au hasard dans différentes formes de boîtes de ventilation sur le flux d’air. Ils ont constaté que la taille du produit, la porosité et le rapport de trou de boîte avaient un impact plus important sur le flux d’air, tandis que le remplissage aléatoire avait un impact moindre. Ilangovan et coll.22 ont étudié les modèles d’écoulement d’air et le comportement thermique entre les trois structures d’emballage et ont comparé les résultats avec des modèles structuraux de référence. Les résultats ont montré que la répartition de la chaleur dans la boîte n’était pas uniforme en raison des différents emplacements et conceptions de l’évent. Gong et al.23 ont optimisé la largeur de l’espace entre le bord du plateau et la paroi du conteneur.
Les techniques utilisées dans cet article comprennent des méthodes de simulation et d’optimisation. Le principe de la première est que les équations gouvernantes ont été discrétisées et résolues numériquement en utilisant la méthode du volume fini21. La méthode d’optimisation utilisée dans le présent document est appelée optimisation orthogonale24. Le test orthogonal est une méthode d’analyse multifactorielle et multiniveau typique. La table orthogonale construite à l’aide de cette méthode contient des points représentatifs uniformément répartis dans l’espace de conception, qui peuvent décrire visuellement l’ensemble de l’espace de conception et être examinés. C’est-à-dire que moins de points représentent le test factoriel complet, ce qui permet d’économiser beaucoup de temps, de main-d’œuvre, de matériel et de ressources financières. Le test orthogonal a été largement utilisé dans la conception d’expériences dans les domaines des systèmes électriques, de la chimie, du génie civil, etc.25.
L’objectif de cette étude est de concevoir et d’optimiser une boîte ventilée performante. Une boîte ventilée peut être définie comme une boîte d’origine comprenant un dispositif de contrôle du gaz qui disperse le gaz uniformément dans la boîte. L’uniformité de la vitesse fait référence à la façon dont l’air circule uniformément à travers la boîte ventilée. Yun-De et al.26 ont déjà montré que la propriété d’un matériau multiporeux a un effet important sur l’uniformité de vitesse d’une boîte de légumes frais. Dans certaines expériences, un plénum ou une chambre modulée a été laissé à la fois en haut et en bas de la chambre d’essai pour garantir une distribution homogène de l’air forcé ou induit27. La boîte ventilée conçue dans ce document contient des réseaux de tuyaux avec des trous en zigzag. Le contrôle de la distribution du flux d’air dans la boîte ventilée est la principale stratégie de préservation. Il y a deux entrées d’air de taille égale placées parallèlement sur les côtés gauche et droit de la boîte ventilée, et une sortie est placée sur le côté supérieur de la boîte. La conception de la structure interne d’une boîte ventilée est la clé de cette étude. En d’autres termes, le nombre de tuyaux et de trous est un paramètre important pour modifier la structure interne de la boîte ventilée. Le modèle de référence comporte 10 tuyaux. Les deux tuyaux du milieu ont chacun 10 trous, qui sont décalés à travers les tuyaux. Le nombre de trous du milieu au tuyau extérieur augmente de deux à la fois.
En d’autres termes, lorsque nous conservons des légumes frais, des fruits et d’autres produits, un flux d’air continu et stable peut réduire la respiration des produits, réduire l’éthylène et d’autres substances nocives pour la conservation des produits et réduire la température produite par les produits eux-mêmes. En raison des différents paramètres de la boîte ventilée, il n’est pas facile d’obtenir l’état de débit d’air requis, ce qui affectera la propriété de préservation de la boîte ventilée. Par conséquent, le projet prend comme objectif de contrôle l’uniformité de la vitesse d’écoulement interne de la boîte ventilée. Une analyse de sensibilité a été effectuée pour les paramètres structuraux de la boîte ventilée. Les échantillons ont été sélectionnés par plan expérimental orthogonal. Nous avons utilisé l’analyse de portée pour optimiser la combinaison des trois paramètres structurels. Pendant ce temps, nous vérifions l’opportunité des résultats de l’optimisation.

<table><tbody><tr><td>Matériel</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>NVIDIA GPU</td><td>NVIDIA NVIDIA</td><td>N/A</td><td>Un GPU NVIDIA est nécessaire car certains des cadres logiciels ci-dessous ne fonctionneront pas autrement. https://www.nvidia.com</td></tr><tr><td>Software</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Ansys-Workbench</td><td>ANSYS</td><td>N/A</td><td>Méthode d’éléments finis polyvalente logiciel de programme de conception informatique.https ://www.ansys.com</td></tr><tr><td>SOLIDWORKS</td><td>Dassault Systèmes</td><td>N/A</td><td>SolidWorks fournit différentes solutions de conception, réduit les erreurs dans le processus de conception et améliore la qualité des produits www.solidworks.com</td></tr><tr><td>SPSS IBM</td><td></td><td>N/A</td><td>Software products pour les opérations d’analyse statistique, l’exploration de données, l’analyse prédictive et les tâches d’aide à la décision.https ://www.ibm.com</td></tr></tbody></table>

stratégies de conception et d’optimisation d’une boîte ventilée performante

Design and Optimization Strategies of a High-Performance Vented Box

Cette étude vise à résoudre les problèmes de chaos de flux d’air et de mauvaise performance dans une boîte ventilée causés par la distribution hétérogène du flux d’air à travers la conception de la structure interne de la boîte ventilée avec une consommation d’énergie constante. L’objectif final est de répartir uniformément le flux d’air à l’intérieur de la boîte ventilée. Une analyse de sensibilité a été effectuée pour trois paramètres structuraux : le nombre de tuyaux, le nombre de trous dans le tuyau du milieu et le nombre de chaque incrément de l’intérieur vers l’extérieur. Un total de 16 ensembles aléatoires de trois paramètres structurels à quatre niveaux ont été déterminés à l’aide du plan expérimental orthogonal. Un logiciel commercial a été utilisé pour la construction d’un modèle 3D pour les points expérimentaux sélectionnés, et ces données ont été utilisées pour obtenir les vitesses d’écoulement de l’air, qui ont ensuite été utilisées pour obtenir l’écart type de chaque point expérimental. Selon l’analyse de gamme, la combinaison des trois paramètres structurels a été optimisée. En d’autres termes, une méthode d’optimisation efficace et économique tenant compte des performances de la boîte ventilée a été établie, et elle pourrait être largement utilisée pour prolonger le temps de stockage des aliments frais.

Conformément au protocole, les trois premières parties étaient les plus importantes, qui comprennent la modélisation, le maillage et la simulation, le tout dans le but d’obtenir l’écart type du débit. Ensuite, nous avons complété l’optimisation de la structure de la boîte ventilée grâce à des expériences orthogonales et à l’analyse de gamme. Le modèle utilisé dans le protocole est le modèle de boîte ventilée de référence, qui est le modèle initial obtenu à partir de la référence. La figure 4...

Ici, nous présentons la méthode d’analyse de gamme pour optimiser les points d’échantillonnage générés par un plan expérimental orthogonal afin de s’assurer que les aliments frais peuvent être stockés dans une boîte ventilée pendant une longue période en régulant le schéma de flux d’air.

Stratégies de conception et d’optimisation d’une boîte ventilée performante

This study aims to solve the problems of air flow chaos and poor performance in a vented box caused by the heterogeneous distribution of airflow through ...

Cette étude vise à résoudre les problèmes de chaos du flux d’air et de la mauvaise performance dans la boîte ventilée causée par la répartition déraisonnable du flux d’air grâce à la conception de la structure interne de la boîte ventilée sur la prémisse d’une consommation d’énergie constante. Une méthode d’optimisation efficace et économique tenant compte des performances de la boîte ventilée a été établie et peut être facilement utilisée pour prolonger le temps de stockage des aliments frais. L’objet de cette étude est de concevoir et d’optimiser une boîte ventilée haute performance contenant des réseaux de tuyaux avec des trous en zigzag.Il y a deux entrées d’air de taille égale placées parallèlement sur les côtés gauche et droit de la boîte ventilée, et une sortie a été placée sur le côté supérieur de la boîte ventilée. Le modèle de référence comporte 10 tuyaux. Les deux tuyaux du milieu ont respectivement 10 trous, qui sont décalés à travers les tuyaux.Le nombre de trous du milieu au tuyau extérieur est augmenté de deux à la fois. Compte tenu des réseaux de tuyaux, la moitié inférieure tridimensionnelle et la moitié supérieure des modèles de boîtes ventilées sont établies à l’aide d’un logiciel tridimensionnel et en les enregistrant sous forme de fichiers XT. Exécutez le logiciel de simulation et faites glisser le composant de maillage des systèmes de composants vers la fenêtre schématique du projet.Nommez-le comme bas. Cliquez avec le bouton droit sur la géométrie, puis cliquez sur Parcourir pour importer le fichier XT inférieur. Cliquez avec le bouton droit sur la géométrie et cliquez sur Nouvelle géométrie du modeleur de conception pour accéder à la fenêtre du modeleur de conception de maillage.Cliquez sur Générer pour afficher le modèle inférieur. Cliquez avec le bouton droit sur la surface supérieure, puis cliquez sur la sélection nommée pour la renommer Boîte ventilée supérieure. Sélectionnez les corps de filtre de sélection.Cliquez avec le bouton droit sur le modèle inférieur pour sélectionner la sélection nommée et renommez-la en bas. Sélectionnez les faces du filtre de sélection et basculez le mode de sélection sur la zone de sélection. Sélectionnez toutes les surfaces intérieures et cliquez avec le bouton droit de la souris pour sélectionner la sélection nommée et la renommer en surfaces internes externes, définies ultérieurement comme interfaces de maillage.Revenez à la fenêtre initiale. Double-cliquez sur le maillage du bas. Entrez dans la fenêtre de maillage.Changez la préférence physique de mécanique à CFD. Cliquez sur la mise à jour pour générer le modèle de maillage. Revenez à la fenêtre initiale.Faites glisser le composant de maillage des systèmes de composants vers la fenêtre schématique du projet. Nommez-le comme top. Cliquez avec le bouton droit sur la géométrie, puis cliquez sur Parcourir pour importer le fichier XT supérieur.Cliquez avec le bouton droit sur la géométrie et cliquez sur Nouvelle géométrie du modeleur de conception pour accéder à la fenêtre du modeleur de conception de maillage. Cliquez sur Générer pour afficher le modèle supérieur. Cliquez avec le bouton droit sur la surface inférieure, puis cliquez sur la sélection nommée pour la renommer en zone ventilée inférieure.Sélectionnez les corps de filtre de sélection. Cliquez avec le bouton droit sur le modèle supérieur pour sélectionner la sélection nommée et le renommer en haut. Sélectionnez les faces de filtre de sélection.Cliquez avec le bouton droit sur la surface supérieure, puis cliquez sur la sélection nommée pour la renommer en sortie. Revenez à la fenêtre initiale. Double-cliquez sur le maillage du haut.Entrez dans la fenêtre de maillage. Changez la préférence physique de mécanique à CFD. Cliquez avec le bouton droit sur le maillage pour sélectionner le dimensionnement dans l’insertion.Sélectionnez les corps de filtre de sélection. Sélectionnez le modèle supérieur et les 18 premiers en taille d’élément. Cliquez sur Mettre à jour.Revenez à la fenêtre initiale. Faites glisser le composant de maillage des systèmes de composants vers la fenêtre schématique du projet. Nommez-le comme pipe.Importez le fichier XT de tuyau en cliquant sur géométrie. Entrez dans la fenêtre du modeleur de conception de maillage. Le modèle de tuyau s’affiche à nouveau en cliquant sur générer.Sélectionnez les deux faces d’extrémité du tuyau et étiquetez-les comme entrée un et entrée deux. La sélection du tuyau par corps est étiquetée comme tuyau. Toutes les surfaces intérieures sélectionnées par boîte sont étiquetées comme surfaces internes internes, définies comme interfaces de maillage ultérieurement.Revenez à la fenêtre initiale. Double-cliquez sur le maillage du tuyau. Entrez dans la fenêtre de maillage.Changez la préférence physique de mécanique à CFD. Le modèle de maillage peut être généré en cliquant sur Mettre à jour. Revenez à la fenêtre initiale.Faites glisser le composant de simulation vers la fenêtre schématique du projet. Liez trois composants de maillage au composant de simulation et mettez à jour pour entrer. Vérifiez la qualité du modèle de maillage.Vérifiez si le maillage a un volume négatif. Sélectionnez le facteur stable, le facteur de relaxation, le facteur résiduel et le facteur d’échelle de temps. Sélectionnez les valeurs par défaut.Entrez dans l’interface de réglage du modèle visqueux pour sélectionner le modèle K-epsilon. Réglez le matériau de l’air. Changez le type de zone cellulaire en fluide.Convertissez le type de boîte ventilée supérieure, de boîte ventilée inférieure, de surfaces intérieures externes et intérieures internes du mur par défaut à l’interface. Ouvrez les interfaces de maillage et entrez dans la fenêtre de création/modification des interfaces de maillage. Faites correspondre les surfaces intérieures externes aux surfaces internes internes.Faites correspondre la boîte ventilée supérieure à la boîte ventilée inférieure. Enfin, les deux interfaces maillées sont créées entre la boîte ventilée et nommées interface un et interface deux, respectivement. Réglez les vitesses d’écoulement d’air de toutes les entrées à 8,9525 mètres par seconde dans la fenêtre d’entrée de vitesse.Réglez la pression manométrique de sortie sur zéro dans la fenêtre de sortie de pression. Définissez le style de l’initialisation de la solution comme initialisation standard avant l’initialisation. Définissez le nombre d’itérations sur 2000.Cliquez sur Calculer pour démarrer la simulation et revenir à la fenêtre initiale jusqu’à la fin de la simulation. Cliquez sur les résultats. Entrez dans la fenêtre CFD post.Cliquez sur l’icône de rationalisation dans la boîte à outils. Sélectionnez la prise au départ et vers l’arrière dans la direction. Cliquez sur Appliquer pour générer le diagramme de flux interne de la boîte ventilée.Cliquez sur l’avion à l’emplacement. Sélectionnez le plan ZX dans la méthode et la valeur d’entrée 0,6. Cliquez sur Appliquer pour générer le plan à 0,6 mètre de la surface inférieure.Cliquez sur l’icône de contour dans la boîte à outils. Sélectionnez l’avion un dans les emplacements. Sélectionnez la vitesse dans la variable.Sélectionnez local dans la plage. Cliquez sur Appliquer pour générer le contour de vitesse. Exportez les données de débit pour le plan généré ci-dessus.Acquérir l’écart type du débit dans Excel. Exécutez le logiciel d’analyse statistique. Cliquez sur données, puis sur générer dans la conception orthogonale.Entrez le numéro de tuyau dans le nom du facteur et A dans l’étiquette du facteur. Cliquez sur Ajouter et définissez des valeurs pour définir quatre niveaux pour le nombre de tuyaux. Cliquez sur Continuer et revenez à la fenêtre de génération de conception orthogonale.Entrez le numéro du trou dans le nom du facteur et B dans l’étiquette du facteur. Cliquez sur Ajouter et définissez des valeurs pour définir quatre niveaux pour le nombre de trous. Cliquez sur Continuer et revenez à la fenêtre de génération de conception orthogonale.Entrez le nombre cumulé dans le nom du facteur et C dans l’étiquette du facteur. Cliquez sur Ajouter et définissez des valeurs pour définir quatre niveaux pour le nombre d’incréments. Cliquez sur Continuer et créez un nouveau fichier de données pour générer 16 échantillons de tableau.Cliquez sur Vue variable pour sélectionner nominal dans la mesure et l’entrée dans le rôle. Renommez-le en tant qu’écart type multiplié par 100 000. Répétez les étapes 1.1 à 2.5 avec les exemples de points ci-dessus.Les 16 écarts-types résultants multipliés par 100 000 sont remplis dans la liste d’échantillons pour une optimisation ultérieure. Cliquez sur Analyser, puis sur Univarié dans le modèle linéaire général. Remplissez l’écart type multiplié par 100 000 en variable dépendante et le nombre de tuyaux de remplissage, le nombre de trous, le nombre cumulatif, en facteurs fixes.Cliquez sur les termes du modèle et de la génération. Changez l’interaction en effets principaux. Remplissez A, B, C dans le modèle.Cliquez sur Continuer et revenez à la fenêtre univariée. Cliquez sur EM means et remplissez A, B, C dans les moyens d’affichage pour. Cliquez sur Continuer et revenez à la fenêtre univariée.Cliquez sur OK et obtenez le résultat de l’optimisation. La valeur minimale de la colonne moyenne du tableau correspond à la variable optimale. Double-cliquez sur le tableau.Entrez dans la fenêtre du tableau croisé dynamique. Cliquez sur Modifier et cliquez sur la barre dans Créer un graphique pour générer l’histogramme. Comme le montrent les figures quatre et cinq, la rationalisation de la boîte ventilée ultérieure est encore plus désordonnée que celle de la première, en raison de la structure interne de la boîte ventilée.Comme le montrent les figures six et sept, le débit à l’intérieur de la boîte ventilée, qui est l’un des modèles utilisés pour l’analyse de sensibilité, est plus inégal. Afin de comprendre plus intuitivement la distribution rationalisée à l’intérieur de la boîte ventilée, l’écart type est calculé par cette formule. Le premier tableau montre l’écart type des débits pour les 10 groupes de la boîte ventilée utilisée pour l’analyse de sensibilité.Un écart type important représente une grande différence entre la plupart des débits et leur débit moyen. Ainsi, on peut voir que la modification de la structure interne de la boîte ventilée peut modifier son flux interne et rendre la rationalisation plus raisonnable. Lors de la conception de l’expérience orthogonale, il existe trois variables de conception dans cet article.Chacune de ces trois variables comporte quatre niveaux. Comme le montre le tableau, 16 groupes de points de plan expérimental ont été obtenus par plan expérimental orthogonal. Les écarts-types sont calculés.En fin de compte, la méthode d’analyse de plage est utilisée comme méthode d’optimisation pour trouver la combinaison optimale de paramètres de structure. La figure huit montre le résultat d’optimisation pour le paramètre structurel concernant le nombre de tuyaux. À partir de là, nous pouvons voir que la valeur minimale est obtenue lorsque le nombre de tuyaux est de 14.La figure neuf montre le résultat d’optimisation pour le paramètre de structure concernant le nombre de trous dans les tuyaux du milieu. À partir de là, nous pouvons voir que la valeur minimale est obtenue lorsque le nombre de trous dans les tuyaux du milieu est de 14. La figure 10 montre le résultat d’optimisation pour le paramètre structurel concernant le nombre de chaque incrément du tuyau intérieur vers l’extérieur.À partir de là, nous pouvons voir que la valeur minimale est obtenue lorsque le nombre de chaque incrément de l’intérieur vers l’extérieur du tuyau est de quatre. L’analyse ci-dessus montre que la combinaison optimale est le tuyau numéro 14, le trou numéro 14, le numéro cumulatif quatre. Pour confirmer l’exactitude, le cas optimal a été analysé.Les figures quatre et 11 montrent la rationalisation du modèle de référence par rapport au modèle optimisé. Les figures six et 12 montrent la distribution de la vitesse d’écoulement à l’intérieur du modèle de référence par rapport au modèle optimisé. Le tableau trois montre la comparaison entre le modèle d’optimisation et le modèle de référence.On peut voir que l’écart type calculé par le modèle optimisé est inférieur à l’écart type du modèle de référence. Le tableau quatre montre l’augmentation du nombre de trous de quatre à six, avec peu de changement dans l’écart-type. Dans cet article, l’environnement interne de la boîte ventilée est amélioré en optimisant sa structure, et la qualité de son environnement interne est mesurée par l’écart type.Plus l’écart type est petit, plus le flux d’air à l’intérieur de la boîte ventilée est raisonnable, ce qui indique que la méthode d’optimisation adoptée dans ce travail est efficace et réalisable.

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