Design- och optimeringsstrategier för en högpresterande ventilerad låda

Summary

Här presenterar vi intervallanalysmetoden för att optimera provpunkterna som genereras av en ortogonal experimentell design för att säkerställa att färsk mat kan förvaras i en ventilerad låda under lång tid genom att reglera luftflödesmönstret.

Abstract

Denna studie syftar till att lösa problemen med luftflödeskaos och dålig prestanda i en ventilerad låda orsakad av den heterogena fördelningen av luftflödet genom utformningen av den inre strukturen hos den ventilerade lådan med konstant energiförbrukning. Det slutliga målet är att jämnt fördela luftflödet inuti den ventilerade lådan. Känslighetsanalys utfördes för tre strukturella parametrar: antalet rör, antalet hål i mittröret och antalet för varje steg från insidan till utsidan. Totalt 16 slumpmässiga uppsättningar av tre strukturella parametrar med fyra nivåer bestämdes med hjälp av den ortogonala experimentella designen. Kommersiell programvara användes för konstruktion av en 3D-modell för de valda experimentpunkterna, och dessa data användes för att erhålla luftflödeshastigheterna, vilka sedan användes för att erhålla standardavvikelsen för varje experimentpunkt. Enligt intervallanalysen optimerades kombinationen av de tre strukturella parametrarna. Med andra ord etablerades en effektiv och ekonomisk optimeringsmetod med tanke på den ventilerade lådans prestanda, och den kan användas i stor utsträckning för att förlänga lagringstiden för färsk mat.

Introduction

Färska grönsaker och frukter upptar en hög andel av människors livsmedelskonsumtion, inte bara för att de har god smak och en attraktiv form, men också för att de är till stor nytta för människor att få näring och bibehålla hälsan¹. Många studier har visat att färsk frukt och grönsaker spelar en unik roll för att förebygga många sjukdomar ^2,3. I lagringsprocessen av färsk frukt och grönsaker är svampar, ljus, temperatur och relativ fuktighet de viktiga orsakerna till deras försämring 4,5,6,7,8. Dessa yttre förhållanden påverkar kvaliteten på lagrade färska frukter och grönsaker genom att påverka den interna ämnesomsättningen eller kemiska reaktioner⁹.

Vanliga behandlingstekniker för frukt och grönsaker inkluderar icke-termisk och termisk konservering. Bland dem har termisk förbehandling en positiv effekt på torkningsprocessen, men det kan också ha negativa effekter på produktkvaliteten, såsom förlust av näringsämnen, förändring av smak och lukt och färgförändring^10,11. Därför har de senaste åren fått icke-termisk konservering av produkter uppmärksamhet ur forskningsperspektivet för att möta konsumenternas efterfrågan på färska produkter. För närvarande finns det främst strålbehandling, pulserande elektriskt fält, ozonbehandling, ätbara beläggningar, koldioxid i tät fas och annan icke-termisk konserveringsteknik för att lagra frukt och grönsaker, men dessa tekniker har ofta brister, såsom kravet på stor utrustning, högt pris och kostnaden för användning¹². Därför är utformningen av en enkel struktur, låg kostnad och bekväm kontroll av konserveringsutrustningen mycket meningsfull för livsmedelsindustrin.

I lagringsmiljön för frukt och grönsaker hjälper ett ordentligt luftcirkulationssystem till att eliminera värmen som genereras av själva produkten, minska temperaturgradienten och bibehålla temperaturen och luftfuktigheten i utrymmet där den ligger. Korrekt luftcirkulation förhindrar också viktminskning på grund av andning och svampinfektioner^13,14,15. Många studier har genomförts på luftflödet inom olika strukturer. Praeger et ^al.16,17 mätte vindhastigheten vid olika positioner under olika fläktdriftskrafter i ett lager genom sensorer och fann att det kunde vara så stor som en sjufaldig skillnad i lufthastighet på grund av olika vertikala höjder^, och lufthastigheten vid varje position var positivt korrelerad med fläktens driftseffekt. Dessutom undersökte en studie effekten av lastarrangemang och antalet fläktar på luftflödet, och man drog slutsatsen att öka avståndet till vissa fläktpositioner och rationellt välja antalet fläktar var till hjälp för att förbättra effekten. Berry et ^al.18 studerade effekten av luftflöde i olika fruktlagringsmiljöer på stomatafördelning i förpackningslådor. Med hjälp av simuleringsprogramvara studerade Dehghannya et ^al.19,20 luftflödestillståndet för tvingad förkall luft i förpackningen med olika ventilationsområden, kvantiteter och fördelningspositioner på förpackningsväggen och erhöll den icke-linjära påverkan av varje parameter på luftflödestillståndet. Delele et ^al.21 tillämpade en beräkningsvätskedynamikmodell för att studera påverkan av produkter slumpmässigt fördelade i olika former av ventilationslådor på luftflödet. De fann att produktstorleken, porositeten och lådhålförhållandet hade större inverkan på luftflödet, medan slumpmässig fyllning hade en mindre inverkan. Ilangovan et ^al.22 studerade luftflödesmönster och termiskt beteende mellan de tre förpackningsstrukturerna och jämförde resultaten med referensstrukturmodeller. Resultaten visade att värmefördelningen i lådan inte var enhetlig på grund av ventilens olika placeringar och utformningar. Gong et ^al.23 optimerade bredden på gapet mellan brickans kant och behållarens vägg.

De tekniker som används i denna uppsats inkluderar simulerings- och optimeringsmetoder. Principen för den förra är att de styrande ekvationerna diskretiserades och löstes numeriskt med hjälp av ändlig volymmetod²¹. Optimeringsmetoden som används i denna uppsats kallas ortogonal optimering²⁴. Det ortogonala testet är en typisk multifaktor- och flernivåanalysmetod. Det ortogonala bordet byggt med denna metod innehåller representativa punkter jämnt fördelade i designutrymmet, vilket visuellt kan beskriva hela designutrymmet och undersökas. Det vill säga färre poäng representerar hela faktortestet, vilket sparar tid, arbetskraft, material och ekonomiska resurser. Det ortogonala testet har använts i stor utsträckning vid utformningen av experiment inom kraftsystem, kemi, civilingenjör etc²⁵.

Syftet med denna studie är att designa och optimera en högpresterande ventilerad låda. En ventilerad låda kan definieras som en originallåda inklusive en gaskontrollanordning som sprider gasen jämnt i lådan. Hastighetsenhetlighet avser hur jämnt luft strömmar genom den ventilerade lådan. Yun-De et ^al.26 har tidigare visat att egenskapen hos multiporöst material har en viktig effekt på hastigheten enhetlighet hos en färsk grönsakslåda. I vissa experiment lämnades en anslutningslåda eller modulerad kammare både på toppen och botten av testkammaren för att garantera en homogen fördelning av antingen forcerad eller inducerad luft²⁷. Den ventilerade lådan utformad i detta papper innehåller uppsättningar av rör med sicksackhål. Att styra luftflödesfördelningen i den ventilerade lådan är den viktigaste bevarandestrategin. Det finns två luftinlopp av samma storlek parallellt på vänster och höger sida av den ventilerade lådan, och ett utlopp är inställt på lådans övre sida. Att utforma den inre strukturen hos en ventilerad låda är nyckeln till denna studie. Med andra ord är antalet rör och hål en viktig parameter för att ändra den ventilerade lådans inre struktur. Referensmodellen har 10 rör. De två mittrören har 10 hål vardera, som är förskjutna över rören. Antalet hål från mitten till ytterröret ökar med två åt gången.

Med andra ord, när vi håller färska grönsaker, frukter och andra produkter kan kontinuerligt och stabilt luftflöde minska andningen av produkter, minska eten och andra skadliga ämnen för produktkonservering och minska temperaturen som produceras av själva produkterna. På grund av de olika parametrarna i den ventilerade lådan är det inte lätt att erhålla det önskade luftflödestillståndet, vilket kommer att påverka den ventilerade lådans bevarandeegenskap. Därför tar projektet den interna luftflödeshastigheten enhetlighet hos den ventilerade lådan som kontrollmål. En känslighetsanalys utfördes för de strukturella parametrarna för den ventilerade lådan. Proverna valdes ut genom ortogonal experimentell design. Vi använde intervallanalys för att optimera kombinationen av de tre strukturella parametrarna. Under tiden verifierar vi önskvärdheten av optimeringsresultaten.

Protocol

1. Bearbetning före simulering OBS: Med tanke på rörmatriserna fastställs den tredimensionella nedre halvan och den övre halvan av de ventilerade lådmodellerna med hjälp av tredimensionell programvara och sparar dem som X_T filer, de övergripande dimensionerna visas i figur 1. Konfigurationer visas i materialtabellen. Kör simuleringsprogrammet och dra Mesh-komponenten från fönstret “Component Systems” till “Pr…

Representative Results

Efter protokollet var de tre första delarna de viktigaste, som inkluderar modellering, meshing och simulering, allt för att erhålla standardavvikelsen för flödeshastigheten. Därefter slutförde vi strukturoptimeringen av den ventilerade lådan genom ortogonala experiment och intervallanalys. Modellen som används i protokollet är referensventilboxmodellen, som är den ursprungliga modellen som erhålls från referensen. Figur 4 visar resultatet av det strömlinjeformade flödet för d…

Discussion

På grund av dess höga prestanda och komplexa struktur byggde vi i denna studie en ventilerad låda baserad på modelleringsprogramvara. Vi analyserade det interna flödet med simuleringsprogram. Simuleringsprogramvara är känd för sina avancerade fysikmodelleringsfunktioner, som inkluderar turbulensmodellering, en- och flerfasflöden, förbränning, batterimodellering, vätskestrukturinteraktion och mycket mer. Provvalsmetoden som används i detta dokument är den ortogonala experimentella designmetoden, som är läm…

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