Summary
在这里，我们提出了范围分析方法，以优化正交实验设计产生的采样点，以确保新鲜食品可以通过调节气流模式长时间存放在通风箱中。
Abstract
本研究旨在通过恒能耗通风箱内部结构设计，解决通风箱内气流分布不均匀导致通风箱气流混乱、性能差的问题。最终目标是均匀分布通风箱内的气流。对3个结构参数进行了敏感性分析：管道数量、中间管道孔数和从内管到外管的每个增量数。采用正交实验设计，共确定了16组随机阵列，共3个结构参数，4个水平。商业软件用于为选定的实验点构建3D模型，该数据用于获得气流速度，然后用于获得每个实验点的标准偏差。根据范围分析，对3个结构参数的组合进行了优化。也就是说，建立了一种考虑通风箱性能的高效、经济的优化方法，可以广泛用于延长生鲜食品的储存时间。
Introduction
新鲜蔬菜和水果在人类食物消费中所占比例很高，不仅因为它们味道好，形态诱人，而且对人们获得营养和保持健康有很大的好处1。许多研究表明，新鲜水果和蔬菜在预防许多疾病方面发挥着独特的作用2，3。在新鲜果蔬的贮藏过程中，真菌、光照、温度和相对湿度是其变质的重要原因4，5，6，7，8。这些外部条件通过影响内部代谢或化学反应来影响储存的新鲜水果和蔬菜的质量9。
水果和蔬菜的常见处理技术包括非保温和保温。其中，热预处理对干燥过程有积极作用，但也会对产品质量产生不利影响，如营养成分损失、风味和气味变化、颜色变化等10，11。因此，近年来，产品的非保温从研究角度受到关注，以满足消费者对生鲜产品的需求。目前主要有辐射处理、脉冲电场、臭氧处理、食用涂料、密相二氧化碳等非保温技术来贮藏果蔬，但这些技术往往存在缺点，如设备要求大、价格高、使用成本高等12.因此，设计结构简单、成本低廉、控制方便的保鲜设备对食品工业非常有意义。
在水果和蔬菜的储存环境中，适当的空气循环系统有助于消除产品本身产生的热量，减少温度梯度，并保持其所在空间的温度和湿度。适当的空气流通还可以防止由于呼吸和真菌感染引起的体重减轻13，14，15。已经对不同结构内的气流进行了大量研究。Praeger等人16，17通过传感器测量了仓库中不同风扇运行功率下不同位置的风速，发现由于垂直高度不同，风速可能相差七倍，每个位置的风速与风扇运行功率呈正相关。此外，一项研究考察了货物排列和风扇数量对气流的影响，得出的结论是，增加一些风扇位置的距离，合理选择风扇数量有助于改善效果。Berry等人18研究了不同果实贮藏环境中气流对包装盒气孔分布的影响。利用仿真软件，Dehghannya 等人 19，20 研究了包装壁上不同通风面积、数量和分布位置的包装内强制预冷空气的气流状态，并获得了各参数对气流状态的非线性影响。Delele等人21应用计算流体动力学模型来研究随机分布在不同形式的通风箱中的产品对气流的影响。他们发现，产品尺寸、孔隙率和箱孔比对气流的影响更大，而随机填充对气流的影响较小。Ilangovan等人22研究了三种包装结构之间的气流模式和热行为，并将结果与参考结构模型进行了比较。结果表明，由于通风口的位置和设计不同，箱内的热量分布不均匀。Gong等人23优化了托盘边缘与容器壁之间的间隙宽度。
本文中使用的技术包括仿真和优化方法。前者的原理是使用有限体积方法21对控制方程进行离散化和数值求解。本文中使用的优化方法称为正交优化24。正交检验是一种典型的多因素多水平分析方法。使用该方法构建的正交表包含均匀分布在设计空间中的代表性点，可以直观地描述整个设计空间并进行检查。即代表全因素检验的点数较少，大大节省了时间、人力、物力和财力。正交试验已广泛应用于电力系统、化学、土木工程等领域的实验设计25.
本研究的目的是设计和优化高性能通风箱。通风箱可以定义为原始箱，包括气体控制装置，该装置将气体均匀地分散在箱内。速度均匀性是指空气流过通风箱的均匀程度。Yun-De等人26 先前已经表明，多孔材料的性质对新鲜蔬菜箱的速度均匀性具有重要影响。在一些实验中，在测试室的顶部和底部都留下了一个增压室或调制室，以保证强制或诱导空气的均匀分布27。本文设计的通风箱包含带有锯齿形孔的管道阵列。控制通风箱中的气流分布是主要的保存策略。在通风箱的左右两侧平行设置两个相同尺寸的进气口，在通风箱的上侧设置一个出口。设计通风箱的内部结构是本研究的关键。换句话说，管道和孔的数量是改变通风箱内部结构的重要参数。参考模型有 10 个管道。两个中间管道各有 10 个孔，这些孔在管道上交错排列。从中间到外管的孔数一次增加两个。
也就是说，当我们保持新鲜的蔬菜、水果等产品时，持续稳定的气流可以减少产品的呼吸，减少乙烯等有害物质用于产品保鲜，降低产品本身产生的温度。由于通风箱的参数不同，不容易获得所需的气流状态，这会影响通风箱的保存性能。因此，该项目以通风箱的内部气流速度均匀性为控制目标。对通风箱的结构参数进行了敏感性分析。采用正交实验设计筛选样品。我们使用范围分析来优化三个结构参数的组合。同时，验证了优化结果的可取性。
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Protocol
1. 预仿真处理
注意：考虑到管道阵列，使用三维软件建立通风箱模型的三维下半部分和上半部分，并将其保存为X_T文件，整体尺寸如图 1所示。配置显示在材料表中。
- 运行仿真软件并将 网格 组件从“组件系统”拖动到“项目原理图”窗口。将其命名为“底部”。右键单击 几何 图形，然后单击 浏览 以导入底部X_T文件。
- 右键单击“几何 图形”，单击“新建设计建模器几何图形”进入“网格 设计建模器 ”窗口，然后单击 “生成 ”以显示底部模型。
- 右键单击上表面，然后单击“ 命名选区 ”以将其重命名为“通风box_upper”。选择 选择过滤器：正文。右键单击底部模型以选择“ 命名选定内容 ”并将其重命名为“底部”。
- 选择 选择过滤器：面孔 并将“选择模式”切换到 框选择t。选择所有内表面，右键单击以选择 命名选择，并将其重命名为“内部surfaces_external”，稍后定义为机甲接口。返回到初始窗口。
- 双击底部 网格。进入“网格划分”窗口。将“物理首选项”从 机械 更改为 CFD。单击 更新 以生成网格模型。返回到初始窗口。
- 将 网格组件从“组件系统”拖动到“项目原理图”窗口。将其命名为“顶部”。右键单击 几何 图形，然后单击 浏览 以导入顶部X_T文件。
- 右键单击“几何图形”，然后单击“新建设计建模器 几何图形 ”以进入 “网格设计建模器 ”窗口。单击“ 生成 ”以显示顶部模型。
- 右键单击下曲面，然后单击“ 命名选区 ”将其重命名为“通风box_lower”。选择 选择过滤器：正文。右键单击顶部模型以选择“ 命名选择 ”并将其重命名为“顶部”。
- 选择 选择过滤器：面。右键单击上曲面，然后单击 “命名选区” 将其重命名为出口。返回到初始窗口。
- 双击顶部的 网格。进入“网格划分”窗口。将“物理首选项”从 机械 更改为 CFD。右键单击 网格 以在“插入 ”中选择尺寸 。选择 选择过滤器：正文。选择顶部模型并在“元素大小”中键入 18 。单击 更新。返回到初始窗口。
- 将 网格 组件从“组件系统”拖动到“项目原理图”窗口。将其命名为管道。通过 单击几何图形导入管道X_T文件。
- 进入“网格设计建模器”窗口。单击 “生成”（Gene） 以再次显示管道模型显示。
- 选取管道的两个端面并将它们标记为“入口 1”和“入口 2”，并通过主体选择管道并将其标记为管道。
- 通过框选择的所有内表面都标记为“内surfaces_internal”，稍后定义为网格接口。返回到初始窗口。
- 双击管道的 网格。进入“网格划分”窗口。将“物理首选项”从 机械 更改为 CFD。网格模型可以通过单击“更新”来生成。返回到初始窗口。
注意：图2A显示了通风箱下半部分的网格，图2B显示了通风箱上半部分的网格，图2C显示了管道的网格。 如图 3 所示，随着网格数量从 4，137，724 增加到 5，490，081，标准差变化小于 0.0008。考虑到计算能力和精度，以下分析基于具有4，448，536个网格的网格模型。
2. 仿真分析
注意：以下操作是根据从设置到解决方案再到结果的模拟分析的一般顺序描述的。
- 将 仿真组件 拖动到“项目原理图”窗口。将三个 网格 组件链接到模拟组件并更新以进入。
- 设置
注意：“设置”包括五个步骤：常规、模型、材料、单元区域条件和边界条件。- 常规：验证网格模型的有效性。检查网格是否有负体积。选择 “稳定”。对于松弛、残差和时间刻度因子，请选择默认值。如果分割的网格或模型设置有任何问题，则会弹出一条错误消息。
- 型号：进入“粘性型号”设置界面，选择 K-epsilon型号。
- 材质：设置“空气”材质。
- 细胞区域条件：将细胞区域类型更改为 流体。
- 边界条件
- 将通风box_upper、通风box_lower、内surfaces_external和内部surfaces_internal的类型从默认的“墙”转换为“界面”。
注意：完成上述步骤后，仿真软件会立即生成“网格接口”。 - 打开网状接口，进入“创建/编辑 网状接口 ”窗口。将 内surfaces_external 与 内surfaces_internal相匹配。将 通风box_upper 与 通风box_lower相匹配。最后，在通风箱中创建两个网状接口，分别命名为接口1和接口2。
- 在“速度入口”窗口中将所有入口的气流速度设置为8.9525 m/s，在“压力出口”窗口中将出口的表压设置为零。
- 将通风box_upper、通风box_lower、内surfaces_external和内部surfaces_internal的类型从默认的“墙”转换为“界面”。
- 溶液
- 在初始化之前，将解决方案初始化的样式设置为 “标准初始化 ”。
- 将 迭代次数 设置为 2，000。
- 单击 “计算 ”开始模拟并返回到初始窗口，直到模拟结束。
- 结果
- 单击 结果。进入“CFD发布”窗口，然后单击工具箱中的 流线型 图标。
- 在“开始自”中选择插座，在“方向”中选择 向 后。单击 “应用 ”，生成通风箱的内部流程图。
- 在“位置”中单击平面，在“方法”中选择ZX平面，然后选择输入值为0.6。单击“应用”（Apply） 生成距底面 0.6 m 的平面。
- 单击工具箱中的“ 等值线 ”图标，在“位置”中选择 平面 1 ，在“变量”中选择 速度 ，然后在“范围”中选择 局部 。单击 应用 以生成速度等值线。
- 导出上面生成的平面的流速数据。在电子表格软件（例如Excel）中获取流速的标准偏差。
注意：对通风箱的三个结构变量进行了灵敏度分析。管道的数量有四个级别：8、10、12 和 14。中间管道中的孔数有四个级别：8、10、12 和 14。从内管道到外管道的每个增量的编号有四个级别：零、二、四和六。根据这些结构参数的变化修改基础模型。重复步骤1.1至2.5 10次，得到 表1中的数据。从表中可以看出，三个结构参数对流速的标准差有一定的影响。
3. 正交实验设计与范围分析
- 运行统计分析软件。单击 数据 并在“正交设计”中 生成 。
- 在“因子名称”中输入 pipe_number ，在“因子标签”中输入 A 。单击“ 添加 并 定义值 ”为管道数设置四个级别。单击 继续 并返回到“生成正交设计”窗口。
- 在“因子名称”中输入 whole_number ，在“因子标签”中输入 B 。单击“ 添加 并 定义值”（Add and Define Values） 为孔数设置四个级别。单击 继续 并返回到“生成正交设计”窗口。
- 在“因子名称”中输入 cumulative_number ，在“因子标签”中输入 C 。 单击添加 和 定义值 以设置四个增量级别。单击 继续 并返回到“生成正交设计”窗口。
- 单击“ 创建新数据文件 ”以生成 16 个数组样本。单击 变量视图 ，在“度量”中选择 标称 ，在“角色”中选择 输入 。将其重命名为“standard_deviation×100000”。
- 对上述采样点重复步骤1.1至2.5;将得到的 16 个标准差乘以 100，000 填充到样本列表中，以供以后优化。
- 单击“一般线性模型”中的分析和单变量。将standard_deviation×100000填写到“因变量”中，pipe_number hole_number cumulative_number填写到“固定因子”中。单击“模型和构建术语”。将交互更改为主效果。将 A、B、C 填写到“模型”中。单击继续并返回到“单变量”窗口。
- 单击 EM 均值并将 A、B、C 填写到“显示均值”中。单击继续并返回“单变量”窗口。
- 单击 确定 并得到优化结果;表中“平均值”列的最小值对应于最佳变量。双击 表格，进入“数据透视表”窗口，单击 编辑，然后单击“创建图形”中的 栏 以生成直方图。
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Representative Results
按照协议，前三个部分是最重要的，包括建模、网格划分和仿真，所有这些都是为了获得流速的标准偏差。然后，通过正交实验和距离分析完成了通风箱的结构优化。协议中使用的模型是参考通风箱模型，它是从参考获得的初始模型。图4显示了参考通风箱模型流线型流程的结果，图5显示了用于灵敏度分析的模型之一通风箱流线型的结果。该通风箱型号是表 1 中的型号 1。流线流是流体运动的轨迹，用于可视化通风箱内的流体流动。如图4和图5所示，由于通风箱的内部结构，后者通风箱的流线型流程甚至比前者更混乱。图6显示了参考通风箱模型内的流速分布结果，图7显示了通风箱模型内的流速分布结果，该模型是用于灵敏度分析的模型之一。如图6和图7所示，作为灵敏度分析的模型之一的通风箱内的流速更加不均匀。
为了更直观地了解通风箱内的流线型分布，我们在距离通风箱底部0.6 m处建立了一个平面。输出平面上每个节点的流速用于数理统计计算。标准偏差的计算公式为 
其中 xi和 μ 分别代表每个节点的流速和所有节点的平均流速。 表1 显示了用于灵敏度分析的10组通风箱（包括参考模型）的流速标准偏差。可以看出，这三个结构变量对流速的标准差有一定的影响，管道数量对流速的标准差影响最大。较大的标准偏差表示大多数流速与其平均流速之间的较大差异;较小的标准偏差意味着这些流速接近其平均流速。由此可见，改变通风箱的内部结构可以改变其内部流动，使流线更加均匀。
在设计正交实验时，本文有三个设计变量：管道数、中间管道中的孔数以及从内管到外管的每个增量数。这三个变量中的每一个都有四个级别。如 表2所示，采用正交实验设计获得16组实验设计点。标准偏差由仿真软件计算。从取出的样本点数量可以看出，正交实验设计可以达到以最少的测试用例数提供最大参数值覆盖的目的。
最后，将范围分析法作为寻找最优结构参数组合的优化方法。 图8显示了管道数量结构参数的优化结果。由此，我们可以看到，当管道数为 14 时，获得最小值。图9显示了关于中间管道孔数的结构参数的优化结果。由此，我们可以看到，当中间管道中的孔数为 14 时，获得最小值。图 10 显示了结构参数的优化结果，该参数涉及从内管到外管的增量数。由此，我们可以看到，当从内管到外管的增量数为四时，获得最小值。以上分析表明，最优组合为“pipe_number 14、hole_number 14、cumulative_number 4”。为了确认精度，通过仿真软件分析了最佳情况。图 4 和图 11 显示了参考模型与优化模型的简化流程。图 6 和图 12 显示了参考模型内与优化模型内的流速分布。表 3 显示了优化结果与参考模型结果之间的比较。可以看出，从优化模型计算出的标准差低于参考模型的标准差。表4显示了孔数从4个增加到6个，标准偏差变化不大，从加工成本的角度来看，模型3是优化模型。本文通过优化通风箱结构改善其内部环境，通过标准差测量其内部环境质量;标准差越小，通风箱内的气流越均匀，表明本工作采用的优化方法是有效可行的。
目录。 下表显示了本研究的基本配置，其中包括具有高性能图形处理单元（GPU）的必要计算机以及来自SolidWorks，Ansys-Workbench和SPSS的三个软件。
表 1：参数灵敏度分析。该表显示了用于灵敏度分析的 10 组通风箱的流速标准偏差。请按此下载此表格。
表2：实验设计点。请按此下载此表格。
表 3：优化结果与参考模型结果之间的比较。请按此下载此表格。
表4：14个管道和14个孔的累积数量的比较。请按此下载此表格。
图 1：通风箱的 3D 模型。 请点击此处查看此图的大图。
图2：网格图。 （A）通风箱下半部分的网格，（B）通风箱上半部分的网格，（C）管道的网格。请点击此处查看此图的大图。
图 3：电网独立性测试。 X 轴是网格模型中不同的网格总数，Y 轴是标准偏差。 请点击此处查看此图的大图。
图 4：参考通风箱模型的简化流程。 请点击此处查看此图的大图。
图 5：简化通风箱模型的流程。 该图显示了通风箱流线的结果，通风箱是用于灵敏度分析的模型。 请点击此处查看此图的大图。
图 6：参考通风箱模型内的流速分布。 请点击此处查看此图的大图。
图 7：通风箱模型内的流速分布。 该图显示了通风箱内流速分布的结果，这是用于灵敏度分析的模型。 请点击此处查看此图的大图。
图 8：管道数量的优化结果。 请点击此处查看此图的大图。
图 9：中间管道孔数的优化结果。 请点击此处查看此图的大图。
图 10：从内管道到外管道增量数的优化结果。 请点击此处查看此图的大图。
图 11：优化的通风箱模型的简化流程。 请点击此处查看此图的大图。
图 12：优化的通风箱模型内的流速分布。 请点击此处查看此图的大图。
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Discussion
由于其高性能和复杂的结构，本研究基于建模软件构建了一种通风箱。我们通过仿真软件分析了内部流动。仿真软件以其先进的物理建模功能而闻名，其中包括湍流建模、单相和多相流、燃烧、电池建模、流固耦合等。本文采用的样品选择方法为正交实验设计方法，因其方法科学、操作简单、节约成本、效果显著，适用于机械生产等领域。范围分析法可以通过简单的计算得到实验的一级和次级因素以及最优组合。
结果取决于协议中此设置的一些关键组件。首先，在创建电池组的3D模型时，为模型中的每个主体和表面提供一个易于识别的名称是随后添加材料，创建网格界面和设置边界条件的关键步骤。其次，在确定重要结构参数之前，必须进行参数敏感性分析，以选择更重要的结构参数。第三，在操作每个软件时，要准确设置每个参数，尤其是参数的单位。
导入网格模型后，应排除网格模型的故障，然后单击“检查”以 检查 网格是否具有负体积。如果分割的网格或模型设置有任何问题，则会弹出一条错误消息。本研究的主要局限性在于所使用的3D模型是在简化真实通风箱后构建的。模拟通风箱的内部流量将与真实通风箱略有不同。结果可能接近现实，但不完全是。此优化方法适用于整数型结构参数，例如管道和孔的数量。与遗传算法和退火算法优化相比，本文的优化结果不如算法优化的结果;但是，在工程中，方面整数型参数结构更适合产品的生产。
这项技术不仅可以获得高质量、高可靠性的测试数据和测试产品，还可以帮助我们在测试数据分析中掌握测试对象之间的内在关系。该协议将有助于在考虑通风箱能耗和性能的同时建立优化方法，并且可以广泛用于延长新鲜食品的储存时间。该技术还可用于机械设计、建筑设计等领域。
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Disclosures
作者没有什么可透露的。
Acknowledgments
本研究由温州市科学技术局资助（温州市重大科技创新项目，批准号：ZG2020029）。该研究由温州市科学技术协会资助，批准号为KJFW09。本研究由温州市重点科学与研究计划（ZN2022001）资助。
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 |
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