この研究は、一定のエネルギー消費を前提とした通気ボックスの内部構造の設計を通じて、空気の流れの不当な分布によって引き起こされる気流の混乱と通気ボックス内の性能の低下の問題を解決することを目的としています。通気ボックスの性能を考慮した効率的かつ経済的な最適化方法を確立し、生鮮食品の保存期間の延長に容易に使用できます。この研究の目的は、ジグザグの穴を持つパイプのアレイを含む高性能ベントボックスを設計および最適化することです。
通気箱の左右に平行に設定された同じサイズの2つの吸気口があり、通気箱の上側に出口が設置された。参照モデルには 10 本のパイプがあります。2つの中央のパイプにはそれぞれ10個の穴があり、パイプを横切って互い違いになっています。
中央から外側のパイプまでの穴の数は一度に2つずつ増加します。パイプの配列を考慮して、3次元ソフトウェアを使用してXTファイルとして保存することにより、3次元の下半分とベントボックスモデルの上半分が確立されます。シミュレーション ソフトウェアを実行し、メッシュ コンポーネントをコンポーネント システムからプロジェクト スケマティック ウィンドウにドラッグします。
ボトムという名前を付けます。ジオメトリを右クリックし、[参照]をクリックして下部のXTファイルをインポートします。ジオメトリを右クリックし、新しいデザインモデラージオメトリをクリックして、メッシュデザインモデラーウィンドウに入ります。
[生成]をクリックして、下部モデルを表示します。上側のサーフェスを右クリックし、名前の付いた選択をクリックして、「ベントボックス上部」という名前に変更します。選択フィルター本体を選択します。
下部のモデルを右クリックして名前付き選択を選択し、名前を下部に変更します。選択フィルター面を選択し、選択モードをボックス選択に切り替えます。すべての内部サーフェスを選択し、右クリックして名前付き選択を選択し、後でメッシュインタフェースとして定義する外部の内側サーフェスの名前を変更します。
最初のウィンドウに戻ります。下部のメッシュをダブルクリックします。メッシュウィンドウに入ります。
物理的なプリファレンスを機械的設定からCFDに変更します。更新をクリックしてメッシュモデルを生成します。最初のウィンドウに戻ります。
メッシュ コンポーネントをコンポーネント システムからプロジェクト スケマティック ウィンドウにドラッグします。トップという名前を付けます。ジオメトリを右クリックし、[参照]をクリックして上位の XT ファイルをインポートします。
ジオメトリを右クリックし、新しいデザインモデラージオメトリをクリックして、メッシュデザインモデラーウィンドウに入ります。[生成]をクリックして、最上位モデルを表示します。下のサーフェスを右クリックし、名前の付いた選択をクリックして、名前をベントボックス下に変更します。
選択フィルター本体を選択します。最上位モデルを右クリックして名前付き選択を選択し、名前を top に変更します。選択フィルター面を選択します。
上側のサーフェスを右クリックし、名前の付いた選択をクリックして、名前をアウトレットに変更します。最初のウィンドウに戻ります。上部のメッシュをダブルクリックします。
メッシュウィンドウに入ります。物理的なプリファレンスを機械的設定からCFDに変更します。メッシュを右クリックして、インサートのサイズを選択します。
選択フィルター本体を選択します。最上位のモデルと要素サイズの上位 18 を選択します。[更新] をクリックします。
最初のウィンドウに戻ります。メッシュ コンポーネントをコンポーネント システムからプロジェクト スケマティック ウィンドウにドラッグします。パイプという名前を付けます。
パイプ XT ファイルを読み込むには、ジオメトリをクリックします。メッシュデザインモデラーウィンドウに入ります。[生成]をクリックすると、パイプ モデルが再び表示されます。
パイプの 2 つの端面を選択し、流入口 1 および流入口 2 というラベルを付けます。ボディ選択によるパイプは、パイプとしてラベル付けされます。ボックス選択によるすべての内面サーフェスは、内部サーフェスとしてラベル付けされ、後でメッシュインタフェースとして定義されます。
最初のウィンドウに戻ります。パイプのメッシュをダブルクリックします。メッシュウィンドウに入ります。
物理的なプリファレンスを機械的設定からCFDに変更します。メッシュモデルは、更新をクリックして生成できます。最初のウィンドウに戻ります。
シミュレーション コンポーネントをプロジェクト スケマティック ウィンドウにドラッグします。3 つのメッシュ コンポーネントをシミュレーション コンポーネントにリンクし、更新して入力します。メッシュモデルの品質を確認します。
メッシュのボリュームが負になっているかどうかを確認します。定常係数、緩和係数、残差係数、およびタイムスケール係数を選択します。デフォルト値を選択します。
粘性モデルの設定インターフェースに入り、Kεモデルを選択します。空気材料を設定します。セルゾーンのタイプを流体に変更します。
ベントボックスの上部、ベントボックスの下部、内側サーフェスの外側、および内側の内側のタイプを既定の壁からインタフェースに変換します。メッシュ インターフェイスを開き、[メッシュ インターフェイスの作成/編集] ウィンドウに入ります。内側サーフェスの外側を内側サーフェスに一致させます。
ベントボックスの上部とベントボックスの下部を一致させます。最後に、通気ボックスと名前付きインターフェイス 1 とインターフェイス 2 の間に 2 つのメッシュ インターフェイスが作成されます。速度入口ウィンドウで、すべての流入口の気流速度を毎秒 8.9525 メートルに設定します。
圧力出口ウィンドウで出口のゲージ圧力をゼロに設定します。初期化の前に、ソリューション初期化のスタイルを標準初期化として設定します。反復回数を 2000 に設定します。
[計算]をクリックしてシミュレーションを開始し、シミュレーションが終了するまで初期ウィンドウに戻ります。結果をクリックします。CFDポストウィンドウに入ります。
ツールボックスのストリームラインのアイコンをクリックします。始点の出口と逆方向の出口を選択します。[適用]をクリックして、ベントボックスの内部フロー図を生成します。
所定の位置にある平面をクリックします。メソッドでZX平面を選択し、値0.6を入力します。[適用]をクリックして、底面から 0.6 メートルの位置に平面を生成します。
ツールボックスの輪郭のアイコンをクリックします。[位置] で平面 1 を選択します。変数で速度を選択します。
範囲内でローカルを選択します。[適用] をクリックして、速度コンターを生成します。上記で生成された平面の流量データをエクスポートします。
流量の標準偏差をエクセルで取得します。統計分析ソフトウェアを実行します。データをクリックし、直交計画で生成をクリックします。
係数名にパイプ番号を入力し、因子ラベルにAを入力します。[追加して値を定義]をクリックして、パイプ数の 4 つのレベルを設定します。続行をクリックして、直交設計の生成ウィンドウに戻ります。
因子名に穴番号を入力し、因子ラベルにBを入力します。[値の追加と定義]をクリックして、穴の数に 4 つのレベルを設定します。続行をクリックして、直交設計の生成ウィンドウに戻ります。
因子名に累積数を入力し、因子ラベルにCを入力します。[値の追加と定義] をクリックして、増分数の 4 つのレベルを設定します。[続行]をクリックして新しいデータファイルを作成し、16個の配列サンプルを生成します。
変数ビューをクリックして、メジャーの名義値を選択し、役割の入力を選択します。名前を変更して、標準偏差に 100, 000 を掛けたものにします。上記のサンプルポイントを使用して手順1.1〜2.5を繰り返します。
結果の16標準偏差に100, 000を掛けたものは、後で最適化するためにサンプルリストに入力されます。[分析] をクリックし、[一般線形モデルの 1 変量] をクリックします。標準偏差×100, 000を従属変数に充填し、パイプ番号、穴番号、累積数を固定因子に充填します。
[モデルとビルド項] をクリックします。相互作用を主効果に変更します。A、B、Cをモデルに入力します。
[続行] をクリックして、単変量ウィンドウに戻ります。EM平均をクリックし、A、B、Cを表示手段に入力します。[続行] をクリックして、単変量ウィンドウに戻ります。
[OK]をクリックして、最適化結果を取得します。表の平均列の最小値は、最適変数に対応します。テーブルをダブルクリックします。
ピボットテーブルウィンドウに入ります。[編集] をクリックし、[グラフの作成] の [バー] をクリックしてヒストグラムを生成します。図4と図5に示すように、後のベントボックスの内部構造により、後のベントボックスの流線は前者の流線型よりもさらに乱雑です。
図6と図7に示すように、感度分析に使用されるモデルの1つであるベントボックス内の流量は、より不均一です。ベントボックス内の流線分布をより直感的に理解するために、標準偏差はこの式で計算されます。表1は、感度分析に使用したベントボックスの10グループの流量の標準偏差を示しています。
大きな標準偏差は、ほとんどの流量とその平均流量の大きな差を表します。したがって、通気ボックスの内部構造を変更すると、内部の流れが変化し、合理化がより合理的になることがわかります。直交実験を計画する場合、この記事には3つの設計変数があります。
これら3つの変数にはそれぞれ4つの水準があります。表に示すように、直交実験計画により16群の実験計画点が得られた。標準偏差が計算されます。
最終的に、最適な構造パラメータの組み合わせを見つけるための最適化方法として、範囲分析法が使用されます。図8は、パイプ数に関する構造パラメータの最適化結果を示しています。このことから、パイプ数が14のときに最小値が得られることがわかります。
図9は、中央パイプの穴の数に関する構造パラメータの最適化結果を示しています。このことから、中間パイプの穴の数が14のときに最小値が得られることがわかります。図10は、パイプの内側から外側への各増分の数に関する構造パラメータの最適化結果を示しています。
このことから、パイプの内側から外側への各増分の数が4つのときに最小値が得られることがわかります。上記の分析は、最適な組み合わせがパイプ番号14、穴番号14、累積番号4であることを示しています。精度を確認するために、最適なケースを分析しました。
図 4 と図 11 は、参照モデルと最適化モデルの合理化を示しています。図6と図12は、参照モデルと最適化モデル内の流速分布を示しています。表3は、最適化モデルと参照モデルの比較を示しています。
最適化モデルによって計算された標準偏差は、参照モデルの標準偏差と比較して低いことがわかる。表4は、標準偏差にほとんど変化がなく、穴の数が4つから6つに増加していることを示しています。この論文では、通気ボックスの内部環境をその構造を最適化することによって改善し、その内部環境の品質を標準偏差で測定します。
標準偏差が小さいほど、通気ボックス内の気流がより合理的であり、これは、この作業で採用された最適化方法が効果的で実行可能であることを示しています。
