Design og optimeringsstrategier for en højtydende ventileret kasse

Summary

Her præsenterer vi rækkeviddeanalysemetoden for at optimere prøvepunkterne genereret af et ortogonalt eksperimentelt design for at sikre, at frisk mad kan opbevares i en ventileret kasse i lang tid ved at regulere luftstrømsmønsteret.

Abstract

Denne undersøgelse sigter mod at løse problemerne med luftstrømskaos og dårlig ydeevne i en ventileret kasse forårsaget af den heterogene fordeling af luftstrømmen gennem designet af den udluftede kasses indre struktur med konstant energiforbrug. Det endelige mål er at fordele luftstrømmen jævnt inde i den udluftede kasse. Følsomhedsanalyse blev udført for tre strukturelle parametre: antallet af rør, antallet af huller i det midterste rør og antallet af hvert trin fra indersiden til det udvendige rør. I alt 16 tilfældige arraysæt af tre strukturelle parametre med fire niveauer blev bestemt ved hjælp af det ortogonale eksperimentelle design. Kommerciel software blev brugt til konstruktion af en 3D-model for de valgte eksperimentelle punkter, og disse data blev brugt til at opnå luftstrømshastighederne, som derefter blev brugt til at opnå standardafvigelsen for hvert eksperimentelt punkt. Ifølge rækkeviddeanalysen blev kombinationen af de tre strukturelle parametre optimeret. Med andre ord blev der etableret en effektiv og økonomisk optimeringsmetode i betragtning af ydeevnen af den ventilerede kasse, og den kunne i vid udstrækning bruges til at forlænge opbevaringstiden for friske fødevarer.

Introduction

Friske grøntsager og frugter indtager en stor andel af menneskers fødevareforbrug, ikke kun fordi de har god smag og en attraktiv form, men også fordi de er til stor gavn for folk at få ernæring og opretholde sundhed¹. Mange undersøgelser har vist, at frisk frugt og grøntsager spiller en unik rolle i forebyggelsen af mange sygdomme ^2,3. I opbevaringsprocessen af friske frugter og grøntsager er svampe, lys, temperatur og relativ luftfugtighed de vigtige årsager til deres forringelse 4,5,6,7,8. Disse eksterne forhold påvirker kvaliteten af lagrede friske frugter og grøntsager ved at påvirke den indre metabolisme eller kemiske reaktioner⁹.

Almindelige behandlingsteknologier for frugt og grøntsager omfatter ikke-termisk og termisk konservering. Blandt dem har termisk forbehandling en positiv effekt på tørringsprocessen, men det kan også have negative virkninger på produktkvaliteten, såsom tab af næringsstoffer, ændring af smag og lugt og farveændring^10,11. Derfor har den ikke-termiske konservering af produkter i de senere år fået opmærksomhed fra forskningsperspektivet for at imødekomme forbrugernes efterspørgsel efter friske produkter. På nuværende tidspunkt er der hovedsageligt strålingsbehandling, pulserende elektrisk felt, ozonbehandling, spiselige belægninger, tætfasekuldioxid og andre ikke-termiske konserveringsteknologier til opbevaring af frugt og grøntsager, men disse teknologier har ofte mangler, såsom kravet om stort udstyr, høj pris og brugsomkostningerne¹². Derfor er designet af en simpel struktur, lave omkostninger og bekvem kontrol af konserveringsudstyret meget meningsfuldt for fødevareindustrien.

I opbevaringsmiljøet for frugt og grøntsager hjælper et korrekt luftcirkulationssystem med at eliminere varmen, der genereres af selve produktet, reducere temperaturgradienten og opretholde temperaturen og fugtigheden i det rum, hvor det er placeret. Korrekt luftcirkulation forhindrer også vægttab på grund af åndedræt og svampeinfektioner^13,14,15. Talrige undersøgelser er blevet udført på luftstrøm inden for forskellige strukturer. Praeger et ^al.16,17 målte vindhastigheden på forskellige positioner under forskellige ventilatordriftskræfter i et lager gennem sensorer og fandt ud af, at der kunne være så stor som en syv gange forskel i lufthastighed på grund af forskellige lodrette højder^, og lufthastigheden ved hver position var positivt korreleret med ventilatorens driftseffekt. Desuden undersøgte en undersøgelse effekten af lastarrangement og antallet af ventilatorer på luftstrømmen, og det blev konkluderet, at forøgelse af afstanden til nogle ventilatorpositioner og rationelt valg af antallet af ventilatorer var nyttigt til at forbedre effekten. Berry et ^al.18 undersøgte effekten af luftstrøm i forskellige frugtopbevaringsmiljøer på stomatafordeling i pakningskasser. Ved hjælp af simuleringssoftware studerede Dehghannya et ^al.19,20 luftstrømstilstanden for tvungen forkold luft i pakken med forskellige udluftningsområder, mængder og fordelingspositioner på emballagevæggen og opnåede den ikke-lineære indflydelse af hver parameter på luftstrømstilstanden. Delele et ^al.21 anvendte en beregningsvæskedynamikmodel til at studere indflydelsen af produkter tilfældigt fordelt i forskellige former for ventilationsbokse på luftstrømmen. De fandt ud af, at produktstørrelsen, porøsiteten og bokshulforholdet havde større indflydelse på luftstrømmen, mens tilfældig påfyldning havde en mindre indvirkning. Ilangovan et ^al.22 studerede luftstrømsmønstre og termisk adfærd mellem de tre emballagestrukturer og sammenlignede resultaterne med referencestrukturelle modeller. Resultaterne viste, at varmefordelingen i kassen ikke var ensartet på grund af udluftningens forskellige placeringer og design. Gong et ^al.23 optimerede bredden af mellemrummet mellem kanten af bakken og beholderens væg.

De teknikker, der anvendes i dette papir, omfatter simulerings- og optimeringsmetoder. Princippet om førstnævnte er, at de styrende ligninger blev diskretiseret og numerisk løst ved hjælp af den endelige volumenmetode²¹. Den optimeringsmetode, der anvendes i dette papir, kaldes ortogonal optimering²⁴. Den ortogonale test er en typisk multifaktor- og multilevelanalysemetode. Det ortogonale bord, der er bygget ved hjælp af denne metode, indeholder repræsentative punkter, der er ensartet fordelt i designrummet, som visuelt kan beskrive hele designrummet og undersøges. Det vil sige, at færre point repræsenterer den fulde faktortest, hvilket i høj grad sparer tid, arbejdskraft, materiale og økonomiske ressourcer. Den ortogonale test er blevet brugt i vid udstrækning til design af eksperimenter inden for elsystemer, kemi, civilingeniør osv.²⁵.

Formålet med denne undersøgelse er at designe og optimere en højtydende ventileret kasse. En udluftet kasse kan defineres som en original kasse inklusive en gasstyringsanordning, der spreder gassen ensartet i kassen. Hastighedsensartethed refererer til, hvor jævnt luft strømmer gennem den ventilerede kasse. Yun-De et ^al.26 har tidligere vist, at egenskaben af multiporøst materiale har en vigtig effekt på hastigheden ensartethed af en frisk grøntsagskasse. I nogle forsøg blev der efterladt et plenum eller moduleret kammer både øverst og nederst i testkammeret for at sikre en homogen fordeling af enten tvungen eller induceret luft²⁷. Den ventilerede kasse designet i dette papir indeholder arrays af rør med zigzag huller. Styring af luftstrømsfordelingen i den ventilerede kasse er den vigtigste bevaringsstrategi. Der er to luftindtag af samme størrelse indstillet parallelt på venstre og højre side af den ventilerede kasse, og et udløb er indstillet på oversiden af kassen. Design af den interne struktur af en ventileret kasse er nøglen til denne undersøgelse. Med andre ord er antallet af rør og huller en vigtig parameter til ændring af den udluftede boks indre struktur. Referencemodellen har 10 rør. De to midterste rør har hver 10 huller, som er forskudt på tværs af rørene. Antallet af huller fra midten til det ydre rør stiger med to ad gangen.

Med andre ord, når vi holder friske grøntsager, frugter og andre produkter, kan kontinuerlig og stabil luftstrøm reducere respiration af produkter, reducere ethylen og andre skadelige stoffer til produktkonservering og reducere temperaturen produceret af produkterne selv. På grund af de forskellige parametre i den ventilerede kasse er det ikke let at opnå den krævede luftstrømstilstand, hvilket vil påvirke den udluftede boks bevaringsegenskab. Derfor tager projektet den interne luftstrømshastighedsensartethed af den udluftede boks som kontrolmål. Der blev udført en følsomhedsanalyse for den udluftede boks’ strukturelle parametre. Prøverne blev udvalgt ved ortogonalt eksperimentelt design. Vi brugte rækkeviddeanalyse til at optimere kombinationen af de tre strukturelle parametre. I mellemtiden kontrollerer vi ønskeligheden af optimeringsresultaterne.

Protocol

1. Behandling før simulering BEMÆRK: I betragtning af rørene etableres den tredimensionelle nederste halvdel og den øverste halvdel af de ventilerede kassemodeller ved hjælp af tredimensionel software og gemmer dem som X_T filer, de overordnede dimensioner er vist i figur 1. Konfigurationer er vist i materialetabellen. Kør simuleringssoftwaren, og træk Mesh-komponenten fra vinduet “Komponentsystemer” til vinduet “…

Representative Results

Efter protokollen var de første tre dele de vigtigste, som inkluderer modellering, mesh og simulering, alt sammen for at opnå standardafvigelsen for strømningshastigheden. Derefter afsluttede vi strukturoptimeringen af den ventilerede kasse gennem ortogonale eksperimenter og rækkeviddeanalyse. Den model, der anvendes i protokollen, er den referenceventilerede boksmodel, som er den oprindelige model, der er opnået fra referencen. Figur 4 viser resultatet af den strømlinede strøm af ref…

Discussion

På grund af sin høje ydeevne og komplekse struktur byggede vi i denne undersøgelse en ventileret kasse baseret på modelleringssoftware. Vi analyserede det interne flow ved hjælp af simuleringssoftware. Simuleringssoftware er kendt for sine avancerede fysikmodelleringsfunktioner, som inkluderer turbulensmodellering, enkelt- og flerfasestrømme, forbrænding, batterimodellering, væskestrukturinteraktion og meget mere. Prøveudvælgelsesmetoden, der anvendes i dette papir, er den ortogonale eksperimentelle designmetod…

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