Świeże warzywa i owoce zajmują dużą część spożywanej przez ludzi żywności, nie tylko dlatego, że mają dobry smak i atrakcyjną formę, ale także dlatego, że są bardzo korzystne dla ludzi w zdobywaniu pożywienia i utrzymaniu zdrowia1. Wiele badań wykazało, że świeże owoce i warzywa odgrywają wyjątkową rolę w zapobieganiu wielu chorobom2,3. W procesie przechowywania świeżych owoców i warzyw grzyby, światło, temperatura i wilgotność względna są ważnymi przyczynami ich pogorszenia4,5,6,7,8. Te warunki zewnętrzne wpływają na jakość przechowywanych świeżych owoców i warzyw, wpływając na wewnętrzny metabolizm lub reakcje chemiczne9.
Powszechne technologie obróbki owoców i warzyw obejmują nietermiczne i termiczne konserwowanie. Wśród nich wstępna obróbka termiczna ma pozytywny wpływ na proces suszenia, ale może mieć również niekorzystny wpływ na jakość produktu, taki jak utrata składników odżywczych, zmiana smaku i zapachu oraz zmiana koloru10,11. Dlatego w ostatnich latach z perspektywy badawczej zwrócono uwagę na nietermiczną konserwację produktów, aby sprostać zapotrzebowaniu konsumentów na świeże produkty. Obecnie istnieje głównie przetwarzanie promieniowania, pulsacyjne pole elektryczne, przetwarzanie ozonu, powłoki jadalne, dwutlenek węgla w fazie gęstej i inne technologie konserwacji nietermicznej do przechowywania owoców i warzyw, ale technologie te często mają wady, takie jak wymóg dużego sprzętu, wysoka cena i koszt użytkowania12. Dlatego konstrukcja o prostej konstrukcji, niskim koszcie i wygodnym sterowaniu sprzętem konserwującym ma duże znaczenie dla przemysłu spożywczego.
W środowisku przechowywania owoców i warzyw, odpowiedni system cyrkulacji powietrza pomaga wyeliminować ciepło generowane przez sam produkt, zmniejszyć gradient temperatury oraz utrzymać temperaturę i wilgotność w pomieszczeniu, w którym się znajduje. Prawidłowa cyrkulacja powietrza zapobiega również utracie wagi z powodu oddychania i infekcji grzybiczych13,14,15. Przeprowadzono liczne badania nad przepływem powietrza w różnych strukturach. Praeger et al.16,17 zmierzyli prędkość wiatru w różnych pozycjach przy różnych mocach roboczych wentylatorów w magazynie za pomocą czujników i stwierdzili, że może być nawet siedmiokrotna różnica w prędkości powietrza ze względu na różne wysokości pionowe, a prędkość powietrza w każdej pozycji była dodatnio skorelowana z mocą roboczą wentylatora. Ponadto w badaniu zbadano wpływ rozmieszczenia ładunków i liczby wentylatorów na przepływ powietrza i stwierdzono, że zwiększenie odległości niektórych pozycji wentylatorów i racjonalny dobór liczby wentylatorów było pomocne w poprawie efektu. Berry et al.18 badali wpływ przepływu powietrza w różnych środowiskach przechowywania owoców na rozkład aparatów szparkowych w pudełkach do pakowania. Korzystając z oprogramowania symulacyjnego, Dehghannya i in.19,20 zbadali stan przepływu powietrza wymuszonego przed zimnym powietrzem w opakowaniu z różnymi obszarami wentylacji, ilościami i pozycjami dystrybucji na ściance opakowania i uzyskali nieliniowy wpływ każdego parametru na stan przepływu powietrza. Delele et al.21 zastosowali model obliczeniowej dynamiki płynów do zbadania wpływu produktów losowo rozmieszczonych w różnych formach skrzynek wentylacyjnych na przepływ powietrza. Odkryli, że rozmiar produktu, porowatość i współczynnik otworów w pudełku miały większy wpływ na przepływ powietrza, podczas gdy losowe napełnianie miało mniejszy wpływ. Ilangovan et al.22 badali wzorce przepływu powietrza i zachowanie termiczne między trzema strukturami opakowań i porównali wyniki z referencyjnymi modelami strukturalnymi. Wyniki pokazały, że dystrybucja ciepła w skrzynce nie była jednolita ze względu na różne lokalizacje i konstrukcje odpowietrznika. Gong et al.23 zoptymalizowali szerokość szczeliny między krawędzią tacki a ścianką pojemnika.
Techniki użyte w tym artykule obejmują metody symulacji i optymalizacji. Zasada pierwszego z nich polega na tym, że równania rządzące zostały zdyskretyzowane i numerycznie rozwiązane przy użyciu metody skończonej objętości21. Metoda optymalizacji zastosowana w tym artykule jest określana jako optymalizacja ortogonalna24. Test ortogonalny jest typową metodą analizy wieloczynnikowej i wielopoziomowej. Tabela ortogonalna zbudowana tą metodą zawiera reprezentatywne punkty równomiernie rozmieszczone w przestrzeni projektowej, które mogą wizualnie opisywać całą przestrzeń projektową i być badane. Oznacza to, że mniej punktów reprezentuje pełny test czynnikowy, co znacznie oszczędza czas, siłę roboczą, zasoby materialne i finansowe. Test ortogonalny jest szeroko stosowany w projektowaniu eksperymentów w dziedzinie systemów energetycznych, chemii, inżynierii lądowej itp25.
Celem tego badania jest zaprojektowanie i zoptymalizowanie wysokowydajnej skrzynki wentylowanej. Skrzynkę wentylowaną można zdefiniować jako oryginalną skrzynkę zawierającą urządzenie sterujące gazem, które równomiernie rozprasza gaz w skrzynce. Jednorodność prędkości odnosi się do tego, jak równomiernie powietrze przepływa przez wentylowaną skrzynkę. Yun-De i in.26 wcześniej wykazali, że właściwość materiału wieloporowatego ma istotny wpływ na jednorodność prędkości pudełka ze świeżymi warzywami. W niektórych eksperymentach komora lub modulowana komora była pozostawiana zarówno na górze, jak i na dole komory testowej, aby zagwarantować jednorodny rozkład powietrza wymuszonego lub indukowanego27. Skrzynka wentylowana zaprojektowana w tym artykule zawiera szereg rur z zygzakowatymi otworami. Kontrolowanie rozkładu przepływu powietrza w skrzynce wentylacyjnej jest główną strategią konserwacji. Po lewej i prawej stronie skrzynki wentylowanej znajdują się dwa wloty powietrza o jednakowej wielkości, a wylot znajduje się w górnej części skrzynki. Kluczem do tego badania jest zaprojektowanie wewnętrznej struktury skrzynki wentylowanej. Innymi słowy, liczba rur i otworów jest ważnym parametrem przy zmianie wewnętrznej struktury odpowietrzanej skrzynki. Model referencyjny ma 10 rur. Dwie środkowe rury mają po 10 otworów, które są rozmieszczone naprzemiennie w poprzek rur. Liczba otworów od środkowej do zewnętrznej rury zwiększa się o dwa na raz.
Innymi słowy, gdy przechowujemy świeże warzywa, owoce i inne produkty, ciągły i stabilny przepływ powietrza może zmniejszyć oddychanie produktów, zredukować etylen i inne szkodliwe substancje do konserwacji produktu oraz obniżyć temperaturę wytwarzaną przez same produkty. Ze względu na różne parametry skrzynki wentylowanej nie jest łatwo uzyskać wymagany stan przepływu powietrza, co wpłynie na właściwości konserwatorskie skrzynki wentylowanej. W związku z tym projekt przyjmuje jako cel kontrolny jednorodność wewnętrznej prędkości przepływu powietrza w skrzynce wentylowanej. Przeprowadzono analizę wrażliwości parametrów konstrukcyjnych skrzynki wentylowanej. Próbki zostały wybrane według ortogonalnego projektu eksperymentalnego. Wykorzystaliśmy analizę zasięgu, aby zoptymalizować połączenie trzech parametrów konstrukcyjnych. W międzyczasie weryfikujemy atrakcyjność wyników optymalizacji.