Summary
Burada, hava akış modelini düzenleyerek taze gıdaların havalandırmalı bir kutuda uzun süre saklanabilmesini sağlamak için ortogonal bir deneysel tasarım tarafından üretilen numune noktalarını optimize etmek için aralık analizi yöntemini sunuyoruz.
Abstract
Bu çalışma, havalandırmalı kutunun iç yapısının sabit enerji tüketimi ile tasarlanması yoluyla hava akımının heterojen dağılımından kaynaklanan havalandırmalı bir kutuda hava akımı kaosu ve düşük performans problemlerini çözmeyi amaçlamaktadır. Nihai amaç, hava akışını havalandırmalı kutunun içine eşit olarak dağıtmaktır. Üç yapısal parametre için duyarlılık analizi yapıldı: boru sayısı, orta borudaki delik sayısı ve içeriden dış boruya her bir artışın sayısı. Ortogonal deneysel tasarım kullanılarak dört seviyeli üç yapısal parametreden oluşan toplam 16 rastgele dizi seti belirlenmiştir. Seçilen deney noktaları için bir 3D modelin oluşturulması için ticari yazılım kullanıldı ve bu veriler, daha sonra her deneysel noktanın standart sapmasını elde etmek için kullanılan hava akış hızlarını elde etmek için kullanıldı. Aralık analizine göre, üç yapısal parametrenin kombinasyonu optimize edildi. Başka bir deyişle, havalandırmalı kutunun performansını göz önünde bulundurarak verimli ve ekonomik bir optimizasyon yöntemi oluşturulmuş ve taze gıdaların depolama süresini uzatmak için yaygın olarak kullanılabilir.
Introduction
Taze sebze ve meyveler, sadece iyi bir tada ve çekici bir forma sahip oldukları için değil, aynı zamanda insanların beslenmeleri ve sağlıklarını korumaları için büyük fayda sağladıkları için insan gıda tüketiminin yüksek bir bölümünü kaplar1. Birçok çalışma, taze meyve ve sebzelerin birçok hastalığın önlenmesinde benzersiz bir rol oynadığını göstermiştir 2,3. Yaş meyve ve sebzelerin depolanması sürecinde mantarlar, ışık, sıcaklık ve bağıl nem bozulmalarının önemli nedenleridir 4,5,6,7,8. Bu dış koşullar, iç metabolizmayı veya kimyasal reaksiyonları etkileyerek depolanan taze meyve ve sebzelerin kalitesini etkiler9.
Meyve ve sebzeler için yaygın arıtma teknolojileri termal olmayan ve termal korumayı içerir. Bunlar arasında, ısıl ön işlemin kurutma prosesi üzerinde olumlu bir etkisi vardır, ancak besin maddelerinin kaybı, lezzet ve koku değişikliği ve renk değişikliği10,11 gibi ürün kalitesi üzerinde olumsuz etkileri de olabilir. Bu nedenle, son yıllarda, ürünlerin termal olmayan korunması, tüketicilerin taze ürünlere olan talebini karşılamak için araştırma perspektifinden dikkat çekmiştir. Şu anda, meyve ve sebzeleri depolamak için esas olarak radyasyon işleme, darbeli elektrik alanı, ozon işleme, yenilebilir kaplamalar, yoğun faz karbondioksit ve diğer termal olmayan koruma teknolojileri vardır, ancak bu teknolojilerin genellikle büyük ekipman gereksinimi, yüksek fiyat ve kullanım maliyeti gibi eksiklikleri vardır12. Bu nedenle, basit bir yapının tasarımı, düşük maliyet ve koruma ekipmanının uygun kontrolü gıda endüstrisi için çok anlamlıdır.
Meyve ve sebzeler için depolama ortamında, uygun bir hava sirkülasyon sistemi, ürünün kendisi tarafından üretilen ısıyı ortadan kaldırmaya, sıcaklık gradyanını azaltmaya ve bulunduğu alandaki sıcaklık ve nemi korumaya yardımcı olur. Uygun hava sirkülasyonu, solunum ve mantar enfeksiyonlarına bağlı kilo kaybını da önler13,14,15. Farklı yapılardaki hava akımı üzerine çok sayıda çalışma yapılmıştır. Praeger ve ark.16,17, sensörler aracılığıyla bir depodaki farklı fan çalışma güçleri altında farklı konumlardaki rüzgar hızını ölçtüler ve farklı dikey yükseklikler nedeniyle hava hızında yedi kat kadar büyük bir fark olabileceğini ve her pozisyondaki hava hızının fan çalışma gücü ile pozitif olarak ilişkili olduğunu buldular. Ayrıca, kargo düzenlemesinin ve fan sayısının hava akımı üzerindeki etkisini inceleyen bir çalışmada, bazı fan konumlarının mesafesinin arttırılmasının ve fan sayısının rasyonel olarak seçilmesinin etkinin iyileştirilmesinde yardımcı olduğu sonucuna varılmıştır. Berry ve ark.18, farklı meyve depolama ortamlarındaki hava akışının ambalaj kutularındaki stoma dağılımı üzerindeki etkisini incelemiştir. Simülasyon yazılımı kullanarak, Dehghannya ve ark.19,20, paketteki zorla soğuk öncesi havanın hava akış durumunu, ambalaj duvarındaki farklı havalandırma alanları, miktarları ve dağıtım konumları ile inceledi ve her parametrenin hava akış durumu üzerindeki doğrusal olmayan etkisini elde etti. Delele ve ark.21, farklı havalandırma kutuları formlarında rastgele dağıtılan ürünlerin hava akışı üzerindeki etkisini incelemek için hesaplamalı bir akışkanlar dinamiği modeli uyguladılar. Ürün boyutunun, gözenekliliğin ve kutu deliği oranının hava akışı üzerinde daha büyük bir etkiye sahip olduğunu, rastgele dolumun ise daha küçük bir etkiye sahip olduğunu bulmuşlardır. Ilangovan ve ark.22, üç paketleme yapısı arasındaki hava akımı modellerini ve termal davranışı inceledi ve sonuçları referans yapısal modellerle karşılaştırdı. Sonuçlar, havalandırma deliğinin farklı yerleri ve tasarımları nedeniyle kutudaki ısı dağılımının eşit olmadığını gösterdi. Gong ve ark.23, tepsinin kenarı ile kabın duvarı arasındaki boşluğun genişliğini optimize etti.
Bu yazıda kullanılan teknikler simülasyon ve optimizasyon yöntemlerini içermektedir. İlkinin ilkesi, yönetim denklemlerinin ayrık hale getirilmesi ve sonlu hacim yöntemi21 kullanılarak sayısal olarak çözülmesidir. Bu makalede kullanılan optimizasyon yöntemi, ortogonal optimizasyon24 olarak adlandırılmaktadır. Ortogonal test, tipik bir çok faktörlü ve çok seviyeli analiz yöntemidir. Bu yöntem kullanılarak oluşturulan ortogonal tablo, tasarım alanında eşit olarak dağıtılmış, tüm tasarım alanını görsel olarak tanımlayabilen ve incelenebilen temsili noktalar içerir. Yani, daha az puan tam faktör testini temsil eder ve zaman, insan gücü, malzeme ve finansal kaynaklardan büyük ölçüde tasarruf sağlar. Ortogonal test, güç sistemleri, kimya, inşaat mühendisliği vb.25 alanlarındaki deneylerin tasarımında yaygın olarak kullanılmaktadır.
Bu çalışmanın amacı, yüksek performanslı havalandırmalı bir kutu tasarlamak ve optimize etmektir. Havalandırmalı bir kutu, gazı kutu içinde eşit olarak dağıtan bir gaz kontrol cihazı içeren orijinal bir kutu olarak tanımlanabilir. Hız homojenliği, havanın havalandırmalı kutudan ne kadar eşit bir şekilde aktığını ifade eder. Yun-De ve ark.26 daha önce çok gözenekli malzemenin özelliğinin taze bir sebze kutusunun hız homojenliği üzerinde önemli bir etkiye sahip olduğunu göstermiştir. Bazı deneylerde, zorla veya indüklenen havanın homojen dağılımını garanti etmek için test odasının hem üstünde hem de altında bir plenum veya modüle edilmiş oda bırakılmıştır27. Bu kağıtta tasarlanan havalandırmalı kutu, zikzak delikli boru dizileri içerir. Havalandırmalı kutudaki hava akımı dağılımını kontrol etmek ana koruma stratejisidir. Havalandırmalı kutunun sol ve sağ taraflarında paralel olarak ayarlanmış eşit büyüklükte iki hava girişi vardır ve kutunun üst tarafına bir çıkış ayarlanmıştır. Havalandırmalı bir kutunun iç yapısını tasarlamak bu çalışmanın anahtarıdır. Başka bir deyişle, boru ve delik sayısı, havalandırmalı kutunun iç yapısını değiştirmek için önemli bir parametredir. Referans modelde 10 boru vardır. İki orta borunun her biri, borular boyunca kademeli olarak yerleştirilmiş 10 deliğe sahiptir. Ortadan dış boruya kadar olan deliklerin sayısı bir seferde iki artar.
Başka bir deyişle, taze sebzeleri, meyveleri ve diğer ürünleri tuttuğumuzda, sürekli ve istikrarlı hava akışı ürünlerin solunumunu azaltabilir, ürünün korunması için etilen ve diğer zararlı maddeleri azaltabilir ve ürünlerin kendileri tarafından üretilen sıcaklığı azaltabilir. Havalandırmalı kutunun farklı parametreleri nedeniyle, havalandırmalı kutunun koruma özelliğini etkileyecek gerekli hava akış durumunu elde etmek kolay değildir. Bu nedenle, proje havalandırmalı kutunun iç hava akış hızı homojenliğini kontrol hedefi olarak alır. Havalandırmalı kutunun yapısal parametreleri için duyarlılık analizi yapılmıştır. Örnekler ortogonal deneysel desenle seçilmiştir. Üç yapısal parametrenin kombinasyonunu optimize etmek için aralık analizini kullandık. Bu arada, optimizasyon sonuçlarının istenebilirliğini doğrularız.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Ön simülasyon işleme
NOT: Boru dizileri dikkate alındığında, havalandırmalı kutu modellerinin üç boyutlu alt yarısı ve üst yarısı üç boyutlu yazılımlar kullanılarak ve bunları X_T dosyaları olarak kaydedilerek oluşturulmuş, genel boyutlar Şekil 1'de gösterilmiştir. Konfigürasyonlar malzeme tablosunda gösterilmiştir.
- Simülasyon yazılımını çalıştırın ve Mesh bileşenini "Bileşen Sistemleri" nden "Proje Şeması" penceresine sürükleyin. "Alt" olarak adlandırın. Geometri'ye sağ tıklayın ve alt X_T dosyasını içe aktarmak için Gözat'a tıklayın.
- Geometri'ye sağ tıklayın, "Mesh-Designmodeler" penceresine girmek için New DesignModeler Geometry'ye tıklayın ve alt modeli görüntülemek için Oluştur'a tıklayın.
- Üst yüzeye sağ tıklayın ve "havalandırmalı box_upper" olarak yeniden adlandırmak için Adlandırılmış Seçim'e tıklayın. Seçim Filtresi: Gövdeler'i seçin. Adlandırılmış Seçim'i seçmek için alt modele sağ tıklayın ve "alt" olarak yeniden adlandırın.
- Seçim Filtresini Seçin: Yüzler ve "Mod Seç" i Box Select olarak değiştirin. Tüm iç yüzeyleri seçin, Adlandırılmış Seçim'i seçmek için sağ tıklayın ve daha sonra mekanik arabirimler olarak tanımlanan "iç surfaces_external" olarak yeniden adlandırın. İlk pencereye dönün.
- Alt Mesh'e çift tıklayın. "Meshleme" penceresine girin. "Fiziksel Tercihler"i Mekanik'ten CFD'ye değiştirin. Mesh modelini oluşturmak için Güncelle'ye tıklayın. İlk pencereye dönün.
- Meshbileşenini "Bileşen Sistemleri"nden "Proje Şeması" penceresine sürükleyin. "Top" olarak adlandırın. Geometri'yi sağ tıklatın ve ilk X_T dosyasını içe aktarmak için Gözat'ı tıklatın.
- Geometri'ye sağ tıklayın ve "Mesh-Designmodeler" penceresine girmek için Yeni DesignModeler Geometrisi'ne tıklayın. Üst modeli görüntülemek için Oluştur'a tıklayın.
- Alt yüzeye sağ tıklayın ve "havalandırmalı box_lower" olarak yeniden adlandırmak için Adlandırılmış Seçim'e tıklayın. Seçim Filtresi: Gövdeler'i seçin. Adlandırılmış Seçim'i seçmek için üst modele sağ tıklayın ve "üst" olarak yeniden adlandırın.
- Seçim Filtresi: Yüzler'i seçin. Üst yüzeye sağ tıklayın ve çıkış olarak yeniden adlandırmak için Adlandırılmış Seçim'e tıklayın. İlk pencereye dönün.
- Üst kısımdaki Mesh'i çift tıklayın. "Meshleme" penceresine girin. "Fiziksel Tercihler"i Mekanik'ten CFD'ye değiştirin. "Ekle" deki Boyutlandırma'yı seçmek için Mesh'e sağ tıklayın. Seçim Filtresi: Gövdeler'i seçin. Üst modeli seçin ve "Öğe Boyutu" na 18 yazın. Update'i (Güncelle) tıklayın. İlk pencereye dönün.
- Mesh bileşenini "Bileşen Sistemleri"nden "Proje Şeması" penceresine sürükleyin. Boru olarak adlandırın. Geometri'yi tıklatarak kanal X_T dosyasını içe aktarın.
- "Mesh-Designmodeler" penceresine girin. Boru modeli ekranlarını yeniden görüntülemek için Oluştur'a tıklayın.
- Borunun iki uç yüzünü seçin ve bunları "giriş1" ve "giriş2" olarak etiketleyin ve boruyu gövdeye göre boru olarak seçip etiketleyin.
- Kutu seçilerek tüm iç yüzeyler "iç surfaces_internal" olarak etiketlenir ve daha sonra örgü arayüzleri olarak tanımlanır. İlk pencereye dönün.
- Borunun Mesh'ine çift tıklayın. "Meshleme" penceresine girin. "Fiziksel Tercihler"i Mekanik'ten CFD'ye değiştirin. Mesh modeli "Güncelle" ye tıklanarak oluşturulabilir. İlk pencereye dönün.
NOT: Şekil 2A, havalandırmalı kutunun alt yarısının ızgarasını, Şekil 2B, havalandırmalı kutunun üst yarısının ızgarasını ve Şekil 2C, borunun ızgarasını göstermektedir. Şekil 3'te gösterildiği gibi, ızgara sayısı 4.137.724'ten 5.490.081'e yükselirken, standart sapma değişiklikleri 0.0008'den azdır. Hesaplama yeteneği ve doğruluğu göz önüne alındığında, aşağıdaki analiz 4.448.536 ızgaralı bir ızgara modeline dayanmaktadır.
2. Simülasyon analizi
NOT: Aşağıdaki işlemler, kurulumdan çözüme ve sonuca kadar simülasyon analizinin genel sırasına göre açıklanmaktadır.
- Simulation bileşenini "Proje Şeması" penceresine sürükleyin. Üç Mesh bileşenini simülasyon bileşenine bağlayın ve girmek için güncelleyin.
- Kurulum
NOT: "Kurulum" beş adımdan oluşur: Genel, Modeller, Malzemeler, Hücre Bölgesi Koşulları ve Sınır Koşulları.- Genel: Mesh modelinin geçerliliğini doğrulayın. Ağın negatif hacme sahip olup olmadığını kontrol edin. Sabit'i seçin. Gevşeme, artık ve zaman ölçeği faktörleri için varsayılan değerleri seçin. Bölünmüş ızgara veya model ayarlarıyla ilgili herhangi bir sorun varsa, bir hata mesajı açılır.
- Modeller: K-epsilon Modelini seçmek için "Viskoz Model" ayar arayüzüne girin.
- Malzemeler: "Hava" malzemesini ayarlayın.
- Hücre Bölgesi Koşulları: Hücre bölgesinin türünü Akışkan olarak değiştirin.
- Sınır Koşulları
- Havalandırmalı box_upper, havalandırmalı box_lower, iç surfaces_external ve iç surfaces_internal türünü varsayılan "Duvar" dan "Arayüz" e dönüştürün.
NOT: Simülasyon yazılımı, yukarıdaki adımı tamamladıktan hemen sonra "Mesh Arayüzleri" oluşturur. - Mesh Interfaces'i açın ve "Create/Edit Mesh Interfaces" (Mesh Arayüzleri Oluştur/Düzenle) penceresine girin. İç surfaces_external iç surfaces_internal eşleştirin. Maç havalandırmalı box_upper havalandırmalı box_lower. Son olarak, iki örgü arabirimi havalandırmalı kutuda oluşturulur ve sırasıyla interface1 ve interface2 olarak adlandırılır.
- Tüm girişlerin hava akış hızlarını "Hız Girişi" penceresinde 8,9525 m/s ve "Basınç Çıkışı" penceresinde çıkışın gösterge basıncını sıfır olarak ayarlayın.
- Havalandırmalı box_upper, havalandırmalı box_lower, iç surfaces_external ve iç surfaces_internal türünü varsayılan "Duvar" dan "Arayüz" e dönüştürün.
- Çözüm
- Başlatmadan önce çözüm başlatma stilini Standart Başlatma olarak ayarlayın.
- Yineleme sayısını 2.000 olarak ayarlayın.
- Simülasyonu başlatmak ve simülasyon sona erene kadar ilk pencereye dönmek için Hesapla'ya tıklayın.
- Sonuç -ları
- Sonuçlar'ı tıklayın. "CFD Post" penceresine girin ve araç kutusundaki streamline simgesine tıklayın.
- "Şuradan Başla" bölümünde çıkışı ve "Yön" bölümünde Geri'yi seçin. Havalandırmalı kutunun iç akış diyagramını oluşturmak için Uygula'ya tıklayın.
- "Konum"da Düzlem'e tıklayın, "Yöntem"de ZX Düzlemi'ni seçin ve giriş değerini 0,6 olarak seçin. Düzlemi alt yüzeyden 0,6 m uzakta oluşturmak için Uygula'yı tıklatın.
- Araç kutusundaki Kontur simgesine tıklayın, "Konumlar" bölümünde Düzlem 1'i seçin, "Değişken" bölümünde Hız'ı seçin ve "Aralık" ta Yerel'i seçin. Hız konturunu oluşturmak için Uygula'yı tıklatın.
- Yukarıda oluşturulan düzlem için akış hızı verilerini dışa aktarın. Elektronik tablo yazılımında akış hızının standart sapmasını elde edin (örneğin, Excel).
NOT: Havalandırmalı kutunun üç yapısal değişkeninin duyarlılık analizi yapılmıştır. Boru sayısının dört seviyesi vardır: sekiz, 10, 12 ve 14. Orta borulardaki delik sayısının dört seviyesi vardır: sekiz, 10, 12 ve 14. İçeriden dış boruya her artışın sayısı dört seviyeye sahiptir: sıfır, iki, dört ve altı. Temel modeli, bu yapısal parametrelerdeki değişikliklere göre değiştirin. Tablo 1'deki verileri edinmek için 1.1 ile 2.5 arasındaki adımları 10 kez yineleyin. Tablodan, üç yapısal parametrenin akış hızının standart sapması üzerinde belirli etkileri olduğu görülebilir.
3. Ortogonal deney tasarımı ve aralık analizi
- İstatistiksel analiz yazılımını çalıştırın. Veri'ye tıklayın ve "Ortogonal Tasarım" da oluşturun .
- "Faktör Adı" na pipe_number ve "Faktör Etiketi"ne A'yı girin. Kanal sayısı için dört düzey ayarlamak üzere Değer Ekle ve Tanımla'yı tıklatın. Devam'ı tıklayın ve "Ortogonal Tasarım Oluştur" penceresine dönün.
- "Faktör Adı" na whole_number ve "Faktör Etiketi"ne B girin. Delik sayısı için dört düzey ayarlamak üzere Değer Ekle ve Tanımla'yı tıklatın. Devam'ı tıklayın ve "Ortogonal Tasarım Oluştur" penceresine dönün.
- "Faktör Adı" na cumulative_number ve "Faktör Etiketi"ne C girin. Artış sayısı için dört düzey ayarlamak üzere Değer Ekle ve Tanımla'yı tıklatın. Devam'ı tıklayın ve "Ortogonal Tasarım Oluştur" penceresine dönün.
- 16 dizi örneği oluşturmak için Yeni veri dosyası oluştur'u tıklatın. " Ölçüm "de Nominal'i ve "Rol"de Giriş'i seçmek için Değişken Görünümü'nü tıklayın. "standard_deviation×100000" olarak yeniden adlandırın.
- 1.1 ile 2.5 arasındaki adımları yukarıdaki örnek noktalarla tekrarlayın; Elde edilen 16 standart sapmanın 100.000 ile çarpımı, daha sonra optimizasyon için örnek listesine doldurulur.
- "Genel Doğrusal Model"de Analiz Et ve Tek Değişkenli'yi tıklatın. standard_deviation×100000'i "Bağımlı Değişken"e ve pipe_number, hole_number cumulative_number'yi "Sabit Faktör(ler)e" doldurun. Model ve Yapı terimleri'ne tıklayın. Etkileşim'i Ana efektler olarak değiştirin. A, B, C'yi "Model" e doldurun. Devam'ı tıklayın ve "Tek Değişkenli" penceresine dönün.
- EM Means'e tıklayın ve A, B, C'yi "Display Means For" (Şunun İçin Araçları Görüntüle) bölümüne doldurun. Devam'ı tıklayın ve "Tek Değişkenli" penceresine geri dönün.
- Tamam'a tıklayın ve optimizasyon sonucunu alın; Tablodaki "ortalama" sütununun minimum değeri, en uygun değişkene karşılık gelir. Tabloya çift tıklayın, "Pivot Tablo" penceresine girin, Düzenle'ye tıklayın ve histogramı oluşturmak için "Grafik oluştur" daki Çubuk'a tıklayın.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Protokolü takiben, akış hızının standart sapmasını elde etmek için modelleme, örgüleme ve simülasyonu içeren ilk üç bölüm en önemlisiydi. Daha sonra ortogonal deneyler ve menzil analizi ile havalandırmalı kutunun yapı optimizasyonunu tamamladık. Protokolde kullanılan model, referanstan elde edilen ilk model olan referans havalandırmalı kutu modelidir. Şekil 4, referans havalandırmalı kutu modelinin aerodinamik akışının sonucunu, Şekil 5 ise duyarlılık analizi için kullanılan modellerden biri olan havalandırmalı kutunun aerodinamik akışının sonucunu göstermektedir. Bu havalandırmalı kutu modeli, Tablo 1'deki bir numaralı modeldir. Streamline akışları, havalandırmalı kutunun içindeki sıvı akışını görselleştirmek için akışkan hareketinin yörüngeleridir. Şekil 4 ve Şekil 5'te gösterildiği gibi, ikinci havalandırmalı kutunun aerodinamik akışı, havalandırmalı kutunun iç yapısı nedeniyle birincisinden daha karışıktır. Şekil re 6, referans havalandırmalı kutu modeli içindeki akış hızı dağılımının sonucunu, Şekil 7 ise duyarlılık analizi için kullanılan modellerden biri olan havalandırmalı kutu modelinin içindeki akış hızı dağılımının sonucunu göstermektedir. Şekil 6 ve Şekil 7'de görüldüğü gibi hassasiyet analizi için kullanılan modellerden biri olan havalandırmalı kutunun içindeki akış hızı daha düzensizdir.
Havalandırmalı kutunun içindeki aerodinamik dağılımı daha sezgisel olarak anlamak için, havalandırmalı kutunun altından 0,6 m uzaklıkta bir düzlem kurduk. Çıkış düzlemindeki her düğümün akış hızı, matematiksel istatistik hesaplaması için kullanılır. Standart sapma, xive μ'nin sırasıyla her düğümün akış hızını ve tüm düğümlerin ortalama akış hızını temsil ettiği yere göre 
hesaplanır. Tablo 1, referans model de dahil olmak üzere hassasiyet analizi için kullanılan havalandırmalı kutunun 10 grubu için akış hızlarının standart sapmalarını göstermektedir. Üç yapısal değişkenin akış hızının standart sapması üzerinde belirli bir etkiye sahip olduğu ve boru sayısının akış hızının standart sapması üzerinde en büyük etkiye sahip olduğu görülebilir. Büyük bir standart sapma, çoğu akış hızı ile ortalama akış hızı arasındaki büyük farkı temsil eder; Küçük bir standart sapma, bu akış hızlarının ortalama akış hızlarına yakın olduğu anlamına gelir. Böylece, havalandırmalı kutunun iç yapısını değiştirmenin iç akışını değiştirebileceği ve aerodinamik çizgiyi daha homojen hale getirebileceği görülebilir.
Ortogonal deneyi tasarlarken, bu makalede üç tasarım değişkeni vardır: boru sayısı, orta borulardaki delik sayısı ve içeriden dış boruya her artışın sayısı. Bu üç değişkenin her birinin dört seviyesi vardır. Tablo 2'de gösterildiği gibi ortogonal deneysel tasarım ile 16 grup deneysel tasarım noktası elde edilmiştir. Standart sapmalar simülasyon yazılımı ile hesaplanmıştır. Alınan örneklem noktalarının sayısından, ortogonal deney tasarımının en az sayıda test çalışması ile maksimum parametre değeri kapsamı sağlama amacına ulaşabileceği görülebilir.
Sonunda, aralık analizi yöntemi, optimum yapı parametresi kombinasyonunu bulmak için optimizasyon yöntemi olarak kullanılır. Şekil 8, boru sayısının yapısal parametresi için optimizasyon sonucunu göstermektedir. Bundan, boru sayısı 14 olduğunda minimum değerin elde edildiğini görebiliriz. Şekil 9, orta borulardaki delik sayısı hakkındaki yapısal parametre için optimizasyon sonucunu göstermektedir. Bundan, orta borulardaki delik sayısı 14 olduğunda minimum değerin elde edildiğini görebiliriz. Şekil 10, yapısal parametre için optimizasyon sonucunu, içeriden dış boruya doğru olan artışların sayısı ile ilgili olarak göstermektedir. Bundan, minimum değerin içeriden dış boruya yapılan artış sayısı dört olduğunda elde edildiğini görebiliriz. Yukarıdaki analiz, optimum kombinasyonun "pipe_number 14, hole_number 14, cumulative_number 4" olduğunu göstermektedir. Doğruluğu onaylamak için, optimum durum simülasyon yazılımı ile analiz edildi. Şekil 4 ve Şekil 11, referans modelin optimize edilmiş modele karşı akış akışını göstermektedir. Şekil 6 ve Şekil 12, optimize edilmiş modele karşı referans model içindeki akış hızı dağılımını göstermektedir. Tablo 3, optimizasyon sonuçları ile referans modelin sonuçları arasındaki karşılaştırmayı göstermektedir. Optimize edilmiş modelden hesaplanan standart sapmanın, referans modelin standart sapmasına kıyasla daha düşük olduğu görülebilir. Tablo 4, standart sapmada çok az değişiklikle delik sayısındaki dörtten altıya artışı göstermektedir ve üç numaralı model, işleme maliyetleri açısından optimize edilmiş modeldir. Bu yazıda, havalandırmalı kutunun iç ortamı, yapısını optimize ederek iyileştirilmiştir ve iç ortamının kalitesi standart sapma ile ölçülmüştür; Standart sapma ne kadar küçük olursa, havalandırmalı kutunun içindeki hava akışı o kadar homojen olur, bu da bu çalışmada benimsenen optimizasyon yönteminin etkili ve uygulanabilir olduğunu gösterir.
Malzeme tablosu. Tabloda, yüksek performanslı grafik işleme birimine (GPU) sahip gerekli bilgisayarı ve SolidWorks, Ansys-Workbench ve SPSS'den üç yazılımı içeren bu etüt için temel konfigürasyonlar gösterilmektedir.
Tablo 1: Parametre duyarlılık analizi. Tablo, hassasiyet analizi için kullanılan havalandırmalı kutunun 10 grubu için akış hızlarının standart sapmalarını göstermektedir. Bu Tabloyu indirmek için lütfen tıklayınız.
Tablo 2: Deneysel tasarım noktaları. Bu Tabloyu indirmek için lütfen tıklayınız.
Tablo 3: Optimizasyon sonuçları ile referans modelin sonuçları arasındaki karşılaştırma. Bu Tabloyu indirmek için lütfen tıklayınız.
Tablo 4: 14 boru ve 14 deliğin kümülatif sayısının karşılaştırılması. Bu Tabloyu indirmek için lütfen tıklayınız.
Resim 1: Havalandırmalı kutunun 3D modeli. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 2: Izgara diyagramı . (A) Havalandırmalı kutunun alt yarısının ızgarası, (B) havalandırmalı kutunun üst yarısının ızgarası ve (C) borunun ızgarası. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 3: Izgara bağımsızlık testi. X ekseni, örgü modelindeki farklı toplam ızgara sayısıdır ve Y ekseni standart sapmadır. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 4: Referans havalandırmalı kutu modelinin akışını kolaylaştırın. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 5: Havalandırmalı kutu modelinin akışını kolaylaştırın. Şekil, duyarlılık analizi için kullanılan bir model olan havalandırmalı kutunun aerodinamik çizgisinin sonucunu göstermektedir. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 6: Referans havalandırmalı kutu modeli içindeki akış hızı dağılımı. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 7: Havalandırmalı kutu modeli içindeki akış hızı dağılımı. Şekil, hassasiyet analizi için kullanılan bir model olan havalandırmalı kutunun içindeki akış hızı dağılımının sonucunu göstermektedir. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 8: Boru sayısı için optimizasyon sonuçları. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 9: Orta borulardaki delik sayısı için optimizasyon sonuçları. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 10: İçeriden dış boruya yapılan artışların sayısının optimizasyon sonucu. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 11: Optimize edilmiş havalandırmalı kutu modelinin akışını kolaylaştırın. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 12: Optimize edilmiş havalandırmalı kutu modeli içindeki akış hızı dağılımı. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Yüksek performansı ve karmaşık yapısı nedeniyle bu çalışmada modelleme yazılımına dayalı havalandırmalı bir kutu inşa ettik. İç akışı simülasyon yazılımı ile analiz ettik. Simülasyon yazılımı, türbülans modelleme, tek ve çok fazlı akışlar, yanma, pil modelleme, akışkan-yapı etkileşimi ve çok daha fazlasını içeren gelişmiş fizik modelleme yetenekleri ile bilinir. Bu makalede kullanılan örneklem seçim yöntemi, bilimsel yöntemi, basit kullanımı, maliyet tasarrufu sağlayan faydası ve dikkat çekici etkisi nedeniyle mekanik üretim ve diğer alanlar için uygun olan ortogonal deneysel tasarım yöntemidir. Aralık analizi yöntemi, birincil ve ikincil faktörleri ve deneyin optimal kombinasyonunu basit bir hesaplama yoluyla elde edebilir.
Sonuçlar, protokol içindeki bu kurulumun bazı kritik bileşenlerine bağlıdır. İlk olarak, pil takımının 3B modelini oluştururken, modeldeki her gövdeye ve yüzeye kolayca tanınabilir bir ad vermek, daha sonra malzeme eklemek, bir ağ arayüzü oluşturmak ve sınır koşullarını ayarlamak için önemli bir adımdır. İkincisi, önemli yapısal parametreleri belirlemeden önce, daha önemli yapısal parametreleri seçmek için parametre duyarlılık analizi yapılmalıdır. Üçüncüsü, her yazılımı çalıştırırken, her parametreyi, özellikle de parametrenin birimini doğru bir şekilde ayarlamak gerekir.
Izgara modelini içe aktardıktan sonra, örgü modelinde sorun gidermeli ve ağın negatif bir hacme sahip olup olmadığını kontrol etmek için Kontrol Et'i tıklatmalısınız. Bölünmüş ızgara veya model ayarlarıyla ilgili herhangi bir sorun varsa, bir hata mesajı açılır. Bu çalışmanın temel sınırlaması, kullanılan 3D modelin gerçek havalandırmalı kutuyu basitleştirdikten sonra inşa edilmesidir. Simüle edilmiş havalandırmalı kutunun iç akışı gerçek olandan biraz farklı olacaktır. Sonuç gerçeğe yakın olabilir, ancak tam olarak değil. Bu optimizasyon yöntemi, boru ve delik sayısı gibi tamsayı tipi yapısal parametreler için geçerlidir. Genetik algoritma ve tavlama algoritması optimizasyonu ile karşılaştırıldığında, bu makaledeki optimizasyon sonuçları algoritma optimizasyonunun sonuçlarından daha düşüktür; Ancak mühendislikte aspect tamsayı tipi parametre yapısı ürünlerin üretimi için daha uygundur.
Bu teknoloji sadece yüksek kaliteli ve yüksek güvenilirlikli test verileri ve test ürünleri elde etmekle kalmaz, aynı zamanda test verilerinin analizinde test denekleri arasındaki iç ilişkiye hakim olmamıza yardımcı olur. Bu protokol, aynı anda havalandırmalı kutunun enerji tüketimini ve performansını göz önünde bulundurarak bir optimizasyon yöntemi oluşturmaya yardımcı olacak ve taze gıdaların depolama süresini uzatmak için yaygın olarak kullanılabilir. Bu teknik mekanik tasarım, mimari tasarım ve diğer alanlarda da kullanılabilir.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Yazarların açıklayacak hiçbir şeyi yok.
Acknowledgments
Bu araştırma, Çin Wenzhou Bilim ve Teknoloji Bürosu (Wenzhou büyük bilimsel ve teknolojik yenilik projesi Hibe No. ZG2020029) tarafından desteklenmektedir. Araştırma, Wenzhou Bilim ve Teknoloji Derneği tarafından Hibe No. KJFW09 ile finanse edilmektedir. Bu araştırma Wenzhou Belediyesi Anahtar Bilim ve Araştırma Programı (ZN2022001) tarafından desteklenmiştir.
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).
