高性能通风箱的设计与优化策略

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。

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 </…

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。…

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?…

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