Bu içeriği görüntülemek için JoVE aboneliği gereklidir. Oturum açın veya ücretsiz deneme sürümünü başlatın.

Özet

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 değişikliği^10,11 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 önler^13,14,15. 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.

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. KurulumNOT: “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 KoşullarıHavalandırmalı 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. ÇözümBaşlatmadan 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 -larıSonuçlar’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.

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, Ş…

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…

Materials

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