Name: design and optimization strategies of a high-performance vented box
Uploaded: 2023-06-09T14:00:00
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Questa ricerca è supportata dal Wenzhou Science and Technology Bureau of China (Wenzhou major scientific and technological innovation project under Grant No. ZG2020029). La ricerca è finanziata dalla Wenzhou Association for Science and Technology con Grant No. KJFW09. Questa ricerca è stata supportata dal Wenzhou Municipal Key Science and Research Program (ZN2022001).

1. Elaborazione pre-simulazione
NOTA: considerando le matrici di tubi, la metà inferiore tridimensionale e la metà superiore dei modelli di scatola ventilata vengono stabilite utilizzando software tridimensionale e salvandole come file X_T, le dimensioni complessive sono mostrate nella Figura 1. Le configurazioni sono mostrate nella tabella dei materiali.
<ol><li>Eseguire il software di simulazione e trascinare il componente Mesh </str...

<ol>
	<li>Villa-Rodriguez, J. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Maintaining+antioxidant+potential+of+fresh+fruits+and+vegetables+after+harvest.">Maintaining antioxidant potential of fresh fruits and vegetables after harvest.</a> Critical Reviews in Food Science and Nutrition. 55 (6), 806-822 (2015).</li><li>Mozaffari, H., Lafreni&#232;re, J., Conklin, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Does+eating+more+variety+of+fruits+and+vegetables+reduce+risk+of+cancer?+Findings+from+a+systematic+review+and+meta-analysis.">Does eating more variety of fruits and vegetables reduce risk of cancer? Findings from a systematic review and meta-analysis.</a> Current Developments in Nutrition. 4, 339-339 (2020).</li><li>Wu, S., Fisher-Hoch, S. P., Reininger, B. M., Lee, M., McCormick, J. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fruit+and+vegetable+intake+is+inversely+associated+with+cancer+risk+in+Mexican-Americans.">Fruit and vegetable intake is inversely associated with cancer risk in Mexican-Americans.</a> Nutrition and Cancer. 71 (8), 1254-1262 (2019).</li><li>Nan, M., Xue, H., Bi, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Contamination,+detection+and+control+of+mycotoxins+in+fruits+and+vegetables.">Contamination, detection and control of mycotoxins in fruits and vegetables.</a> Toxins. 14 (5), 309 (2022).</li><li>Alothman, M., Bhat, R., Karim, A. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Effects+of+radiation+processing+on+phytochemicals+and+antioxidants+in+plant+produce.">Effects of radiation processing on phytochemicals and antioxidants in plant produce.</a> Trends in Food Science &amp; Technology. 20 (5), 201-212 (2009).</li><li>Ayala-Zavala, J. F., Wang, S. Y., Wang, C. Y., Gonz&#225;lez-Aguilar, G. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Effect+of+storage+temperatures+on+antioxidant+capacity+and+aroma+compounds+in+strawberry+fruit.">Effect of storage temperatures on antioxidant capacity and aroma compounds in strawberry fruit.</a> LWT-Food Science and Technology. 37 (7), 687-695 (2004).</li><li>Piljac-&#381;egarac, J., &#352;amec, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Antioxidant+stability+of+small+fruits+in+postharvest+storage+at+room+and+refrigerator+temperatures.">Antioxidant stability of small fruits in postharvest storage at room and refrigerator temperatures.</a> Food Research International. 44 (1), 345-350 (2011).</li><li>Lal Basediya, A., Samuel, D. V. K., Beera, V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Evaporative+cooling+system+for+storage+of+fruits+and+vegetables+-+a+review.">Evaporative cooling system for storage of fruits and vegetables - a review.</a> Journal of Food Science and Technology. 50 (3), 429-442 (2013).</li><li>Sandhya, <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Modified+atmosphere+packaging+of+fresh+produce:+Current+status+and+future+needs.">Modified atmosphere packaging of fresh produce: Current status and future needs.</a> LWT-Food Science and Technology. 43 (3), 381-392 (2010).</li><li>Bassey, E. J., Cheng, J. H., Sun, D. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Novel+nonthermal+and+thermal+pretreatments+for+enhancing+drying+performance+and+improving+quality+of+fruits+and+vegetables.">Novel nonthermal and thermal pretreatments for enhancing drying performance and improving quality of fruits and vegetables.</a> Trends in Food Science &amp; Technology. 112, 137-148 (2021).</li><li>Mieszczakowska-Fr&#261;c, M., Celejewska, K., P&#322;ocharski, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Impact+of+innovative+technologies+on+the+content+of+vitamin+C+and+its+bioavailability+from+processed+fruit+and+vegetable+products.">Impact of innovative technologies on the content of vitamin C and its bioavailability from processed fruit and vegetable products.</a> Antioxidants. 10 (1), 54 (2021).</li><li>Xue, Z., Li, J., Yu, W., Lu, X., Kou, X. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Effects+of+nonthermal+preservation+technologies+on+antioxidant+activity+of+fruits+and+vegetables:+A+review.">Effects of nonthermal preservation technologies on antioxidant activity of fruits and vegetables: A review.</a> Food Science and Technology International. 22 (5), 440-458 (2016).</li><li>Olaimat, A. N., Holley, R. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Factors+influencing+the+microbial+safety+of+fresh+produce:+a+review.">Factors influencing the microbial safety of fresh produce: a review.</a> Food Microbiology. 32 (1), 1-19 (2012).</li><li>Caleb, O. J., Mahajan, P. V., Al-Said, F. A. J., Opara, U. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Modified+atmosphere+packaging+technology+of+fresh+and+fresh-cut+produce+and+the+microbial+consequences-a+review.">Modified atmosphere packaging technology of fresh and fresh-cut produce and the microbial consequences-a review.</a> Food and Bioprocess Technology. 6 (2), 303-329 (2013).</li><li>Waghmare, R. B., Mahajan, P. V., Annapure, U. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Modelling+the+effect+of+time+and+temperature+on+respiration+rate+of+selected+fresh-cut+produce.">Modelling the effect of time and temperature on respiration rate of selected fresh-cut produce.</a> Postharvest Biology and Technology. 80, 25-30 (2013).</li><li>Praeger, U., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Airflow+distribution+in+an+apple+storage+room.">Airflow distribution in an apple storage room.</a> Journal of Food Engineering. 269, 109746 (2020).</li><li>Praeger, U., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Influence+of+room+layout+on+airflow+distribution+in+an+industrial+fruit+store.">Influence of room layout on airflow distribution in an industrial fruit store.</a> International Journal of Refrigeration. 131, 714-722 (2021).</li><li>Berry, T. M., Delele, M. A., Griessel, H., Opara, U. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Geometric+design+characterisation+of+ventilated+multi-scale+packaging+used+in+the+South+African+pome+fruit+industry.">Geometric design characterisation of ventilated multi-scale packaging used in the South African pome fruit industry.</a> Agricultural Mechanization in Asia, Africa, and Latin America. 46 (3), 34-42 (2015).</li><li>Dehghannya, J., Ngadi, M., Vigneault, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Mathematical+modeling+of+airflow+and+heat+transfer+during+forced+convection+cooling+of+produce+considering+various+package+vent+areas.">Mathematical modeling of airflow and heat transfer during forced convection cooling of produce considering various package vent areas.</a> Food Control. 22 (8), 1393-1399 (2011).</li><li>Dehghannya, J., Ngadi, M., Vigneault, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Transport+phenomena+modelling+during+produce+cooling+for+optimal+package+design:+thermal+sensitivity+analysis.">Transport phenomena modelling during produce cooling for optimal package design: thermal sensitivity analysis.</a> Biosystems Engineering. 111 (3), 315-324 (2012).</li><li>Delele, M. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Combined+discrete+element+and+CFD+modelling+of+airflow+through+random+stacking+of+horticultural+products+in+vented+boxes.">Combined discrete element and CFD modelling of airflow through random stacking of horticultural products in vented boxes.</a> Journal of Food Engineering. 89 (1), 33-41 (2008).</li><li>Ilangovan, A., Curto, J., Gaspar, P. D., Silva, P. D., Alves, N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=CFD+modelling+of+the+thermal+performance+of+fruit+packaging+boxes-influence+of+vent-holes+design.">CFD modelling of the thermal performance of fruit packaging boxes-influence of vent-holes design.</a> Energies. 14 (23), 7990 (2021).</li><li>Gong, Y. F., Cao, Y., Zhang, X. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Forced-air+precooling+of+apples:+Airflow+distribution+and+precooling+effectiveness+in+relation+to+the+gap+width+between+tray+edge+and+box+wall.">Forced-air precooling of apples: Airflow distribution and precooling effectiveness in relation to the gap width between tray edge and box wall.</a> Postharvest Biology and Technology. 177, 111523 (2021).</li><li>Guo, R., Li, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Heat+dissipation+analysis+and+optimization+of+lithium-ion+batteries+with+a+novel+parallel-spiral+serpentine+channel+liquid+cooling+plate.">Heat dissipation analysis and optimization of lithium-ion batteries with a novel parallel-spiral serpentine channel liquid cooling plate.</a> International Journal of Heat and Mass Transfer. 189, 122706 (2022).</li><li>Chen, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Optimization+of+geometric+parameters+of+hydraulic+turbine+runner+in+turbine+mode+based+on+the+orthogonal+test+method+and+CFD.">Optimization of geometric parameters of hydraulic turbine runner in turbine mode based on the orthogonal test method and CFD.</a> Energy Reports. 8, 14476-14487 (2022).</li><li>Yun-De, S., Hai-Dong, Q., Sun, B., Li, Z. Z., Cao, K. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Flow+analysis+of+fresh+vegetable+box+based+on+multiporosity+material.">Flow analysis of fresh vegetable box based on multiporosity material.</a> International Journal of Education and Management Engineering. 2 (1), 29 (2012).</li><li>Elansari, A. M., Mostafa, Y. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Vertical+forced+air+pre-cooling+of+orange+fruits+on+bin:+Effect+of+fruit+size,+air+direction,+and+air+velocity.">Vertical forced air pre-cooling of orange fruits on bin: Effect of fruit size, air direction, and air velocity.</a> Journal of the Saudi Society of Agricultural Sciences. 19 (1), 92-98 (2020).</li></ol>

Grazie alle sue elevate prestazioni e alla sua struttura complessa, in questo studio abbiamo costruito una scatola ventilata basata su software di modellazione. Abbiamo analizzato il flusso interno mediante software di simulazione. Il software di simulazione è noto per le sue avanzate capacità di modellazione fisica, che includono modellazione della turbolenza, flussi monofase e multifase, combustione, modellazione della batteria, interazione fluido-struttura e molto altro. Il metodo di selezione del campione utilizzat...

Le verdure e la frutta fresche occupano un'alta percentuale del consumo alimentare umano, non solo perché hanno buon gusto e una forma attraente, ma anche perché sono di grande beneficio per le persone per ottenere nutrizione e mantenere la salute1. Molti studi hanno dimostrato che frutta e verdura fresca svolgono un ruolo unico nella prevenzione di molte malattie 2,3. Nel processo di conservazione di frutta e verdura fresca, funghi, luce, temperatura e umidità relativa sono le ragioni importanti del loro deterioramento 4,5,6,7,8. Queste condizioni esterne influenzano la qualità degli ortofrutticoli freschi immagazzinati influenzando il metabolismo interno o le reazioni chimiche9.
Le tecnologie di trattamento comuni per frutta e verdura includono la conservazione non termica e termica. Tra questi, il pretrattamento termico ha un effetto positivo sul processo di essiccazione, ma può anche avere effetti negativi sulla qualità del prodotto, come la perdita di sostanze nutritive, il cambiamento di sapore e odore e il cambiamento di colore10,11. Pertanto, negli ultimi anni, la conservazione non termica dei prodotti ha ricevuto attenzione dal punto di vista della ricerca per soddisfare la domanda dei consumatori di prodotti freschi. Attualmente, ci sono principalmente processi di radiazione, campo elettrico pulsato, lavorazione dell'ozono, rivestimenti commestibili, anidride carbonica in fase densa e altre tecnologie di conservazione non termica per conservare frutta e verdura, ma queste tecnologie hanno spesso carenze, come il requisito di attrezzature di grandi dimensioni, il prezzo elevato e il costo di utilizzo12. Pertanto, la progettazione di una struttura semplice, a basso costo e un comodo controllo delle attrezzature di conservazione è molto significativa per l'industria alimentare.
Nell'ambiente di stoccaggio di frutta e verdura, un corretto sistema di circolazione dell'aria aiuta ad eliminare il calore generato dal prodotto stesso, ridurre il gradiente di temperatura e mantenere la temperatura e l'umidità nello spazio in cui si trova. Una corretta circolazione dell'aria previene anche la perdita di peso dovuta alla respirazione e alle infezioni fungine13,14,15. Numerosi studi sono stati condotti sul flusso d'aria all'interno di diverse strutture. Praeger et al.16,17 hanno misurato la velocità del vento in diverse posizioni sotto diverse potenze operative della ventola in un magazzino attraverso sensori e hanno scoperto che potrebbe esserci una differenza di sette volte nella velocità dell'aria a causa delle diverse altezze verticali e la velocità dell'aria in ogni posizione era positivamente correlata con la potenza operativa della ventola. Inoltre, uno studio ha esaminato l'effetto della disposizione del carico e il numero di ventilatori sul flusso d'aria, e si è concluso che aumentare la distanza di alcune posizioni delle ventole e scegliere razionalmente il numero di ventole è stato utile per migliorare l'effetto. Berry et al.18 hanno studiato l'effetto del flusso d'aria in diversi ambienti di conservazione della frutta sulla distribuzione degli stomi nelle scatole di imballaggio. Utilizzando un software di simulazione, Dehghannya et al.19,20 hanno studiato lo stato del flusso d'aria dell'aria pre-fredda forzata nel pacchetto con diverse aree di sfiato, quantità e posizioni di distribuzione sulla parete dell'imballaggio e hanno ottenuto l'influenza non lineare di ciascun parametro sullo stato del flusso d'aria. Delele et al.21 hanno applicato un modello fluidodinamico computazionale per studiare l'influenza di prodotti distribuiti casualmente in diverse forme di scatole di ventilazione sul flusso d'aria. Hanno scoperto che le dimensioni del prodotto, la porosità e il rapporto dei fori della scatola hanno avuto un impatto maggiore sul flusso d'aria, mentre il riempimento casuale ha avuto un impatto minore. Ilangovan et al.22 hanno studiato i modelli di flusso d'aria e il comportamento termico tra le tre strutture di imballaggio e hanno confrontato i risultati con i modelli strutturali di riferimento. I risultati hanno mostrato che la distribuzione del calore nella scatola non era uniforme a causa delle diverse posizioni e design dello sfiato. Gong et al.23 hanno ottimizzato la larghezza dello spazio tra il bordo del vassoio e la parete del contenitore.
Le tecniche utilizzate in questo documento includono metodi di simulazione e ottimizzazione. Il principio del primo è che le equazioni che governano sono state discretizzate, e risolte numericamente usando il metodo del volume finito21. Il metodo di ottimizzazione utilizzato in questo documento è indicato come ottimizzazione ortogonale24. Il test ortogonale è un tipico metodo di analisi multifattoriale e multilivello. La tabella ortogonale costruita con questo metodo contiene punti rappresentativi distribuiti uniformemente nello spazio di progettazione, che possono descrivere visivamente l'intero spazio di progettazione ed essere esaminati. Cioè, meno punti rappresentano il test fattoriale completo, risparmiando notevolmente tempo, manodopera, materiale e risorse finanziarie. Il test ortogonale è stato ampiamente utilizzato nella progettazione di esperimenti nei settori dei sistemi di alimentazione, della chimica, dell'ingegneria civile, ecc.25.
L'obiettivo di questo studio è progettare e ottimizzare una scatola ventilata ad alte prestazioni. Una scatola ventilata può essere definita come una scatola originale che include un dispositivo di controllo del gas che disperde uniformemente il gas nella scatola. L'uniformità della velocità si riferisce al modo in cui l'aria scorre uniformemente attraverso la scatola ventilata. Yun-De et al.26 hanno precedentemente dimostrato che la proprietà del materiale multiporoso ha un effetto importante sull'uniformità della velocità di una scatola di verdure fresche. In alcuni esperimenti, un plenum o una camera modulata è stata lasciata sia nella parte superiore che in quella inferiore della camera di prova per garantire una distribuzione omogenea dell'aria forzata o indotta27. La scatola ventilata progettata in questo documento contiene matrici di tubi con fori a zigzag. Il controllo della distribuzione del flusso d'aria nella scatola ventilata è la principale strategia di conservazione. Ci sono due prese d'aria di uguali dimensioni poste parallelamente ai lati sinistro e destro della scatola ventilata, e una presa è impostata sul lato superiore della scatola. Progettare la struttura interna di una scatola ventilata è la chiave di questo studio. In altre parole, il numero di tubi e fori è un parametro importante per modificare la struttura interna della scatola ventilata. Il modello di riferimento ha 10 tubi. I due tubi centrali hanno 10 fori ciascuno, che sono sfalsati attraverso i tubi. Il numero di fori dal tubo centrale al tubo esterno aumenta di due alla volta.
In altre parole, quando conserviamo verdure fresche, frutta e altri prodotti, il flusso d'aria continuo e stabile può ridurre la respirazione dei prodotti, ridurre l'etilene e altre sostanze nocive per la conservazione del prodotto e ridurre la temperatura prodotta dai prodotti stessi. A causa dei diversi parametri della scatola ventilata, non è facile ottenere lo stato del flusso d'aria richiesto, che influenzerà la proprietà di conservazione della scatola ventilata. Pertanto, il progetto prende l'uniformità della velocità del flusso d'aria interno della scatola ventilata come obiettivo di controllo. È stata condotta un'analisi di sensibilità per i parametri strutturali della scatola ventilata. I campioni sono stati selezionati mediante disegno sperimentale ortogonale. Abbiamo utilizzato l'analisi della gamma per ottimizzare la combinazione dei tre parametri strutturali. Nel frattempo, verifichiamo l'opportunità dei risultati dell'ottimizzazione.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>Hardware</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>NVIDIA GPU</td>
			<td>NVIDIA</td>
			<td>N/A</td>
			<td>An NVIDIA GPU is needed as some of the software frameworks below will not work otherwise. https://www.nvidia.com</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Software</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ansys-Workbench</td>
			<td>ANSYS</td>
			<td>N/A</td>
			<td>Multi-purpose finite element method computer design program software.https://www.ansys.com</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>SOLIDWORKS</td>
			<td>Dassault Systemes</td>
			<td>N/A</td>
			<td>SolidWorks provides different design solutions, reduces errors in the design process, and improves product quality 
			www.solidworks.com</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>SPSS</td>
			<td>IBM</td>
			<td>N/A</td>
			<td>Software products for statistical analytical operations, data mining, predictive analysis, and decision support tasks software.https://www.ibm.com</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

design and optimization strategies of a high-performance vented box

Questo studio mira a risolvere i problemi di caos del flusso d'aria e scarse prestazioni in una scatola ventilata causati dalla distribuzione eterogenea del flusso d'aria attraverso la progettazione della struttura interna della scatola ventilata con consumo energetico costante. L'obiettivo finale è quello di distribuire uniformemente il flusso d'aria all'interno della scatola ventilata. L'analisi di sensibilità è stata eseguita per tre parametri strutturali: il numero di tubi, il numero di fori nel tubo centrale e il numero di ciascun incremento dall'interno al tubo esterno. Un totale di 16 array casuali di tre parametri strutturali con quattro livelli sono stati determinati utilizzando il disegno sperimentale ortogonale. Il software commerciale è stato utilizzato per la costruzione di un modello 3D per i punti sperimentali selezionati, e questi dati sono stati utilizzati per ottenere le velocità del flusso d'aria, che sono state poi utilizzate per ottenere la deviazione standard di ciascun punto sperimentale. Secondo l'analisi della gamma, la combinazione dei tre parametri strutturali è stata ottimizzata. In altre parole, è stato stabilito un metodo di ottimizzazione efficiente ed economico considerando le prestazioni della scatola ventilata e potrebbe essere ampiamente utilizzato per prolungare il tempo di conservazione degli alimenti freschi.

Seguendo il protocollo, le prime tre parti sono state le più importanti, che includono modellazione, mesh e simulazione, il tutto al fine di ottenere la deviazione standard della portata. Quindi, abbiamo completato l'ottimizzazione della struttura della scatola ventilata attraverso esperimenti ortogonali e analisi della gamma. Il modello utilizzato nel protocollo è il modello di scatola con sfiato di riferimento, che è il modello iniziale ottenuto dal riferimento. Nella Figura 4 viene ill...

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Design and Optimization Strategies of a High-Performance Vented Box

Qui, presentiamo il metodo di analisi della gamma per ottimizzare i punti di campionamento generati da un design sperimentale ortogonale per garantire che il cibo fresco possa essere conservato in una scatola ventilata per lungo tempo regolando il modello del flusso d'aria.

Progettazione e strategie di ottimizzazione di una scatola ventilata ad alte prestazioni

This study aims to solve the problems of air flow chaos and poor performance in a vented box caused by the heterogeneous distribution of airflow through ...

Questo studio mira a risolvere i problemi di caos del flusso d'aria e le scarse prestazioni nella scatola ventilata causate dalla distribuzione irragionevole del flusso d'aria attraverso la progettazione della struttura interna della scatola ventilata sulla premessa di un consumo energetico costante. È stato stabilito un metodo di ottimizzazione efficiente ed economico considerando le prestazioni della scatola ventilata e può essere facilmente utilizzato per prolungare il tempo di conservazione degli alimenti freschi. L'obiettivo di questo studio è quello di progettare e ottimizzare una scatola ventilata ad alte prestazioni contenente array di tubi con fori a zig-zag.Ci sono due prese d'aria di uguali dimensioni poste parallelamente ai lati sinistro e destro della scatola ventilata, e una presa è stata impostata sul lato superiore della scatola ventilata. Il modello di riferimento ha 10 tubi. I due tubi centrali hanno rispettivamente 10 fori, che sono sfalsati attraverso i tubi.Il numero di fori dal centro al tubo esterno viene aumentato di due alla volta. Considerando gli array di tubi, la metà inferiore tridimensionale e la metà superiore dei modelli di scatola ventilata vengono stabilite utilizzando software tridimensionale e salvandoli come file XT. Eseguire il software di simulazione e trascinare il componente mesh dai sistemi dei componenti alla finestra dello schema del progetto.Assegnalo come in basso. Fate clic con il pulsante destro del mouse sulla geometria e scegliete Sfoglia per importare il file XT inferiore. Fate clic con il pulsante destro del mouse su geometria (geometry) e scegliete nuova geometria del modellatore di progettazione per accedere alla finestra del modellatore di progettazione mesh.Fate clic su Genera (Generate) per visualizzare il modello inferiore. Fate clic con il pulsante destro del mouse sulla superficie superiore e scegliete la selezione denominata per rinominarla come Upper scatola ventilata. Selezionare i corpi del filtro di selezione.Fare clic con il pulsante destro del mouse sul modello inferiore per selezionare la selezione denominata e rinominarla con il fondo. Selezionare le facce del filtro di selezione e passare dalla modalità di selezione alla selezione della casella. Selezionate tutte le superfici interne e fate clic con il pulsante destro del mouse per selezionare la selezione denominata e rinominarla come superfici interne esterne, definite come interfacce mesh in un secondo momento.Tornare alla finestra iniziale. Fare doppio clic sulla trama inferiore. Entra nella finestra di meshing.Cambia la preferenza fisica da meccanica a CFD. Fate clic sull'aggiornamento per generare il modello di mesh. Tornare alla finestra iniziale.Trascinare il componente mesh dai sistemi di componenti alla finestra dello schema del progetto. Assegnalo come superiore. Fate clic con il pulsante destro del mouse sulla geometria e scegliete Sfoglia per importare il file XT superiore.Fate clic con il pulsante destro del mouse su geometria (geometry) e scegliete nuova geometria del modellatore di progettazione per accedere alla finestra del modellatore di progettazione mesh. Fare clic su Genera per visualizzare il modello principale. Fare clic con il pulsante destro del mouse sulla superficie inferiore e scegliere la selezione denominata per rinominarla come casella ventilata inferiore.Selezionare i corpi del filtro di selezione. Fare clic con il pulsante destro del mouse sul modello superiore per selezionare la selezione denominata e rinominarla come superiore. Selezionare le facce del filtro di selezione.Fate clic con il pulsante destro del mouse sulla superficie superiore e fate clic sulla selezione denominata per rinominarla come presa. Tornare alla finestra iniziale. Fare doppio clic sulla mesh superiore.Entra nella finestra di meshing. Cambia la preferenza fisica da meccanica a CFD. Fare clic con il pulsante destro del mouse sulla mesh per selezionare il ridimensionamento nell'inserto.Selezionare i corpi del filtro di selezione. Selezionare il modello superiore e i primi 18 in termini di dimensioni dell'elemento. Fai clic su Aggiorna.Tornare alla finestra iniziale. Trascinare il componente mesh dai sistemi di componenti alla finestra dello schema del progetto. Denominalo come pipe.Importate il file XT della tubazione facendo clic su geometria. Entra nella finestra del modellatore di mesh design. Il modello di tubazione viene nuovamente visualizzato facendo clic su Genera (generate).Selezionate le due facce terminali del tubo ed etichettatele come ingresso uno e ingresso due. La selezione del tubo per corpo è etichettata come tubo. Tutte le superfici interne selezionate dalla casella sono etichettate come superfici interne interne, definite come interfacce mesh in seguito.Tornare alla finestra iniziale. Fare doppio clic sulla mesh del tubo. Entra nella finestra di meshing.Cambia la preferenza fisica da meccanica a CFD. Il modello di mesh può essere generato facendo clic su Aggiorna. Tornare alla finestra iniziale.Trascinare il componente di simulazione nella finestra dello schema del progetto. Collegare tre componenti mesh al componente di simulazione e aggiornare per entrare. Verificate la qualità del modello di mesh.Controlla se la mesh ha un volume negativo. Selezionare costante, fattore di rilassamento, residuo e fattore di scala temporale. Selezionare i valori predefiniti.Accedere all'interfaccia di impostazione del modello viscoso per selezionare il modello K-epsilon. Impostare il materiale dell'aria. Modificare il tipo di zona cellulare in fluido.Convertite il tipo di scatola ventilata superiore, scatola ventilata inferiore, superfici interne esterne e superfici interne interne da parete predefinita a interfaccia. Aprire le interfacce mesh e accedere alla finestra crea/modifica interfacce mesh. Abbinare le superfici interne esterne alle superfici interne interne.Abbinare la scatola ventilata superiore alla scatola ventilata inferiore. Infine, le due interfacce mesh vengono create rispettivamente tra la scatola ventilata e denominate interfaccia uno e interfaccia due. Impostare la velocità del flusso d'aria di tutti gli ingressi come 8,9525 metri al secondo nella finestra di ingresso della velocità.Impostare la pressione manometrica dell'uscita su zero nella finestra di uscita della pressione. Impostare lo stile dell'inizializzazione della soluzione come inizializzazione standard prima dell'inizializzazione. Impostare il numero di iterazioni su 2000.Fare clic su Calcola per avviare la simulazione e tornare alla finestra iniziale fino al termine della simulazione. Fare clic sui risultati. Entra nella finestra del post CFD.Fare clic sull'icona di semplificazione nella casella degli strumenti. Selezionare la presa in partenza e indietro nella direzione. Fare clic su Applica per generare il diagramma di flusso interno della scatola ventilata.Fare clic sul piano nella posizione. Selezionare il piano ZX nel metodo e immettere il valore 0.6. Fate clic su Applica (Apply) per generare il piano a 0,6 metri dalla superficie inferiore.Fare clic sull'icona del contorno nella casella degli strumenti. Selezionare il piano uno nelle posizioni. Selezionare la velocità in variabile.Selezionare locale nell'intervallo. Fate clic su Applica (Apply) per generare il contorno di velocità. Esportare i dati di portata per il piano generato sopra.Acquisire la deviazione standard della portata in Excel. Eseguire il software di analisi statistica. Fare clic su dati e fare clic su Genera in progettazione ortogonale.Immettete il numero di pipe nel nome del fattore e l'etichetta A nel fattore. Fate clic su aggiungi e definisci valori per impostare quattro livelli per il numero di tubazioni. Fare clic su Continua e tornare alla finestra Genera progettazione ortogonale.Immettete il numero del foro nel nome del fattore e B nell'etichetta del fattore. Fate clic su Aggiungi e definisci valori per impostare quattro livelli per il numero di fori. Fare clic su Continua e tornare alla finestra Genera progettazione ortogonale.Immettere il numero cumulativo nel nome del fattore e C nell'etichetta del fattore. Fare clic su Aggiungi e definisci valori per impostare quattro livelli per il numero di incrementi. Fare clic su Continua e creare un nuovo file di dati per generare 16 campioni di matrici.Fare clic sulla vista variabile per selezionare la misura nominale e l'input nel ruolo. Rinominalo come deviazione standard per 100.000. Ripetere i passaggi da 1.1 a 2.5 con i punti di esempio precedenti.Le 16 deviazioni standard risultanti moltiplicate per 100.000 vengono compilate nell'elenco dei campioni per un'ottimizzazione successiva. Fare clic su Analizza e fare clic su Univariata nel modello lineare generale. Riempire i tempi di deviazione standard 100.000 in variabile dipendente e numero di tubo di riempimento, numero di fori, numero cumulativo, in fattori fissi.Fare clic su termini modello e compilazione. Cambia l'interazione in effetti principali. Riempite A, B, C nel modello.Fare clic su Continua e tornare alla finestra univariata. Fare clic su EM significa e riempire A, B, C in display significa per. Fare clic su Continua e tornare alla finestra univariata.Fare clic su OK e ottenere il risultato dell'ottimizzazione. Il valore minimo della colonna media nella tabella corrisponde alla variabile ottimale. Fare doppio clic sul tavolo.Entrare nella finestra della tabella pivot. Fare clic su modifica e fare clic sulla barra in crea grafico per generare l'istogramma. Come mostrato nella figura quattro e nella figura cinque, la linea di scorrimento della scatola ventilata successiva è ancora più disordinata di quella della prima, a causa della struttura interna della scatola ventilata.Come mostrato nella figura sei e nella figura sette, la portata all'interno della scatola ventilata, che è uno dei modelli utilizzati per l'analisi della sensibilità, è più irregolare. Per comprendere la distribuzione della linea di flusso all'interno della scatola ventilata in modo più intuitivo, la deviazione standard viene calcolata con questa formula. La tabella uno mostra la deviazione standard delle portate per i 10 gruppi della scatola ventilata utilizzata per l'analisi di sensibilità.Una grande deviazione standard rappresenta una grande differenza tra la maggior parte delle portate e la loro portata media. Pertanto, si può vedere che la modifica della struttura interna della scatola ventilata può cambiare il suo flusso interno e rende la linea più ragionevole. Quando si progetta l'esperimento ortogonale, ci sono tre variabili di progettazione in questo articolo.Ognuna di queste tre variabili ha quattro livelli. Come mostrato nella tabella, 16 gruppi di punti di progettazione sperimentale sono stati ottenuti mediante progettazione sperimentale ortogonale. Vengono calcolate le deviazioni standard.Alla fine, il metodo di analisi dell'intervallo viene utilizzato come metodo di ottimizzazione per trovare la combinazione ottimale dei parametri della struttura. La figura otto mostra il risultato dell'ottimizzazione per il parametro strutturale relativo al numero di tubi. Da questo, possiamo vedere che il valore minimo si ottiene quando il numero di tubi è 14.La Figura nove mostra il risultato dell'ottimizzazione per il parametro di struttura relativo al numero di fori nei tubi centrali. Da questo, possiamo vedere che il valore minimo si ottiene quando il numero di fori nei tubi centrali è 14. La Figura 10 mostra il risultato dell'ottimizzazione per il parametro strutturale relativo al numero di ciascun incremento dall'interno al tubo esterno.Da questo, possiamo vedere che il valore minimo si ottiene quando il numero di ogni incremento dall'interno al tubo esterno è quattro. L'analisi di cui sopra mostra che la combinazione ottimale è il tubo numero 14, il foro numero 14, il numero cumulativo quattro. Per confermare l'accuratezza, è stato analizzato il caso ottimale.Le figure quattro e 11 mostrano la razionalizzazione del modello di riferimento rispetto al modello ottimizzato. Le figure sei e 12 mostrano la distribuzione della velocità del flusso all'interno del modello di riferimento rispetto al modello ottimizzato. La terza tabella mostra il confronto tra il modello di ottimizzazione e il modello di riferimento.Si può vedere che la deviazione standard calcolata dal modello ottimizzato è inferiore rispetto alla deviazione standard del modello di riferimento. La tabella quattro mostra l'aumento del numero di fori da quattro a sei, con poche variazioni nella deviazione standard. In questo documento, l'ambiente interno della scatola ventilata viene migliorato ottimizzando la sua struttura e la qualità del suo ambiente interno viene misurata dalla deviazione standard.Minore è la deviazione standard, più ragionevole è il flusso d'aria all'interno della scatola ventilata, il che indica che il metodo di ottimizzazione adottato in questo lavoro è efficace e fattibile.

design-and-optimization-strategies-of-a-high-performance-vented-box

Research

JoVE Journal

Engineering

Research and Development of High-performance Explosives

Developmental testing of high explosives for military applications involves small-scale formulation, safety testing, and finally detonation performance tests to verify theoretical calculations. For newly developed formulations, the process begins with small-scale mixes, thermal testing, and impact and friction sensitivity. Only then do subsequent larger scale formulations proceed to detonation testing, which will be covered in this paper. Recent advances in characterization techniques have led to unparalleled precision in the characterization of early-time evolution of detonations. The new technique of Photonic Doppler Velocimetry (PDV) for the measurement of detonation pressure will be shared and compared with traditional fiber-optic detonation velocity and plate-dent calculation of detonation pressure. In particular, the role of aluminum in explosive formulations will be discussed. Recent developments led to the development of explosive formulations that result in reaction of aluminum very early in the detonation product expansion. This enhanced reaction leads to changes in the detonation velocity and pressure due to reaction of the aluminum with oxygen in the expanding gas products.

Developmental testing of high explosives for military applications involves small-scale formulation, safety testing, and finally detonation performance tests to verify theoretical calculations. This paper will share typical development tests associated with the measurement of detonation velocity and detonation pressure.

Ricerca e sviluppo di esplosivi ad alte prestazioni

Developmental testing of high explosives for military applications involves small-scale formulation, safety testing, and finally detonation performance ...

Ricerca

Ingegneria

Probing C84-embedded Si Substrate Using Scanning Probe Microscopy and Molecular Dynamics

This paper reports an array-designed C84-embedded Si substrate fabricated using a controlled self-assembly method in an ultra-high vacuum chamber. The characteristics of the C84-embedded Si surface, such as atomic resolution topography, local electronic density of states, band gap energy, field emission properties, nanomechanical stiffness, and surface magnetism, were examined using a variety of surface analysis techniques under ultra, high vacuum (UHV) conditions as well as in an atmospheric system. Experimental results demonstrate the high uniformity of the C84-embedded Si surface fabricated using a controlled self-assembly nanotechnology mechanism, represents an important development in the application of field emission display (FED), optoelectronic device fabrication, MEMS cutting tools, and in efforts to find a suitable replacement for carbide semiconductors. Molecular dynamics (MD) method with semi-empirical potential can be used to study the nanoindentation of C84-embedded Si substrate. A detailed description for performing MD simulation is presented here. Details for a comprehensive study on mechanical analysis of MD simulation such as indentation force, Young&#39;s modulus, surface stiffness, atomic stress, and atomic strain are included. The atomic stress and von-Mises strain distributions of the indentation model can be calculated to monitor deformation mechanism with time evaluation in atomistic level.

Probing C84-embedded Si Substrate Using Scanning Probe Microscopy and Molecular Dynamics

This paper reports the nanomaterial fabrication of a fullerene Si substrate inspected and verified by nanomeasurements and molecular dynamic simulation.

probing C<sub&gt; 84</sub&gt; -Embedded Si sottofondo mediante scansione di sonda e microscopia dinamica molecolare

This paper reports an array-designed C84-embedded Si substrate fabricated using a controlled self-assembly method in an ultra-high vacuum chamber. The ...

A High Performance Impedance-based Platform for Evaporation Rate Detection

This paper describes the method of a novel impedance-based platform for the detection of the evaporation rate. The model compound hyaluronic acid was employed here for demonstration purposes. Multiple evaporation tests on the model compound as a humectant with various concentrations in solutions were conducted for comparison purposes. A conventional weight loss approach is known as the most straightforward, but time-consuming, measurement technique for evaporation rate detection. Yet, a clear disadvantage is that a large volume of sample is required and multiple sample tests cannot be conducted at the same time. For the first time in literature, an electrical impedance sensing chip is successfully applied to a real-time evaporation investigation in a time sharing, continuous and automatic manner. Moreover, as little as 0.5 ml of test samples is required in this impedance-based apparatus, and a large impedance variation is demonstrated among various dilute solutions. The proposed high-sensitivity and fast-response impedance sensing system is found to outperform a conventional weight loss approach in terms of evaporation rate detection.

This paper presents an impedance-based apparatus for evaporation rate detection of solutions. It offers clear advantages over a conventional weight loss approach: a fast response, high-sensitivity detection, a small sample requirement, multiple sample measurements, and easy disassembly for cleaning and reuse purposes.

Una piattaforma basata su impedenza ad alte prestazioni per l&#39;evaporazione tasso di rilevamento

This paper describes the method of a novel impedance-based platform for the detection of the evaporation rate. The model compound hyaluronic acid was ...

Scalable Solution-processed Fabrication Strategy for High-performance, Flexible, Transparent Electrodes with Embedded Metal Mesh

Here, the authors report the embedded metal-mesh transparent electrode (EMTE), a new transparent electrode (TE) with a metal mesh completely embedded in a polymer film. This paper also presents a low-cost, vacuum-free fabrication method for this novel TE; the approach combines lithography, electroplating, and imprint transfer (LEIT) processing. The embedded nature of the EMTEs offers many advantages, such as high surface smoothness, which is essential for organic electronic device production; superior mechanical stability during bending; favorable resistance to chemicals and moisture; and strong adhesion with plastic film. LEIT fabrication features an electroplating process for vacuum-free metal deposition and is favorable for industrial mass production. Furthermore, LEIT allows for the fabrication of metal mesh with a high aspect ratio (i.e., thickness to linewidth), significantly enhancing its electrical conductance without adversely losing optical transmittance. We demonstrate several prototypes of flexible EMTEs, with sheet resistances lower than 1 &#937;/sq and transmittances greater than 90%, resulting in very high figures of merit (FoM) &#8211; up to 1.5 x 104 &#8211; which are amongst the best values in the published literature.

This protocol describes a solution-based fabrication strategy for high-performance, flexible, transparent electrodes with fully-embedded, thick metal mesh. Flexible transparent electrodes fabricated by this process demonstrate among the highest reported performances, including ultra-low sheet resistance, high optical transmittance, mechanical stability under bending, strong substrate adhesion, surface smoothness, and environmental stability.

Strategia di Fabbricazione elaborata in soluzione scalabile per elettrodi ad alte prestazioni, flessibili e trasparenti con maglia metallica incorporata

Here, the authors report the embedded metal-mesh transparent electrode (EMTE), a new transparent electrode (TE) with a metal mesh completely embedded in a ...

Detecting the Water-soluble Chloride Distribution of Cement Paste in a High-precision Way

To improve the accuracy of the chloride distribution along the depth of cement paste under cyclic wet-dry conditions, a new method is proposed to obtain a high-precision chloride profile. Firstly, paste specimens are molded, cured, and exposed to cyclic wet-dry conditions. Then, powder samples at different specimen depths are grinded when the exposure age is reached. Finally, the water-soluble chloride content is detected using a silver nitrate titration method, and chloride profiles are plotted. The key to improving the accuracy of the chloride distribution along the depth is to exclude the error in the powderization, which is the most critical step for testing the distribution of chloride. Based on the above concept, the grinding method in this protocol can be used to grind powder samples automatically layer by layer from the surface inward, and it should be noted that a very thin grinding thickness (less than 0.5 mm) with a minimum error less than 0.04 mm can be obtained. The chloride profile obtained by this method better reflects the chloride distribution in specimens, which helps researchers to capture the distribution features that are often overlooked. Furthermore, this method can be applied to studies in the field of cement-based materials, which require high chloride distribution accuracy.

A protocol for obtaining a water-soluble chloride profile by using a high precision milling method is presented.

Rilevare la distribuzione di cloruro solubile in acqua della pasta di cemento in un modo ad alta precisione

To improve the accuracy of the chloride distribution along the depth of cement paste under cyclic wet-dry conditions, a new method is proposed to obtain a ...

Flow-assisted Dielectrophoresis: A Low Cost Method for the Fabrication of High Performance Solution-processable Nanowire Devices

Flow-assisted dielectrophoresis (DEP) is an efficient self-assembly method for the controllable and reproducible positioning, alignment, and selection of nanowires. DEP is used for nanowire analysis, characterization, and for solution-based fabrication of semiconducting devices. The method works by applying an alternating electric field between metallic electrodes. The nanowire formulation is then dropped onto the electrodes which are on an inclined surface to create a flow of the formulation using gravity. The nanowires then align along the gradient of the electric field and in the direction of the liquid flow. The frequency of the field can be adjusted to select nanowires with superior conductivity and lower trap density. 
In this work, flow-assisted DEP is used to create nanowire field effect transistors. Flow-assisted DEP has several advantages: it allows selection of nanowire electrical properties; control of nanowire length; placement of nanowires in specific areas; control of orientation of nanowires; and control of nanowire density in the device. 
The technique can be expanded to many other applications such as gas sensors and microwave switches. The technique is efficient, quick, reproducible, and it uses a minimal amount of dilute solution making it ideal for the testing of novel nanomaterials. Wafer scale assembly of nanowire devices can also be achieved using this technique, allowing large numbers of samples for testing and large-area electronic applications.

In this paper, flow assisted dielectrophoresis is demonstrated for the self-assembly of nanowire devices. The fabrication of a silicon nanowire field effect transistor is shown as an example.

Flusso-assistita dielettroforesi: Un metodo a basso costo per la realizzazione di dispositivi ad alte prestazioni soluzione-processable Nanowire

Flow-assisted dielectrophoresis (DEP) is an efficient self-assembly method for the controllable and reproducible positioning, alignment, and selection of ...

Developing High Performance GaP/Si Heterojunction Solar Cells

To improve the efficiency of Si-based solar cells beyond their Shockley-Queisser limit, the optimal path is to integrate them with III-V-based solar cells. In this work, we present high performance GaP/Si heterojunction solar cells with a high Si minority-carrier lifetime and high crystal quality of epitaxial GaP layers. It is shown that by applying phosphorus (P)-diffusion layers into the Si substrate and a SiNx layer, the Si minority-carrier lifetime can be well-maintained during the GaP growth in the molecular beam epitaxy (MBE). By controlling the growth conditions, the high crystal quality of GaP was grown on the P-rich Si surface. The film quality is characterized by atomic force microscopy and high-resolution x-ray diffraction. In addition, MoOx was implemented as a hole-selective contact that led to a significant increase in the short-circuit current density. The achieved high device performance of the GaP/Si heterojunction solar cells establishes a path for further enhancement of the performance of Si-based photovoltaic devices.

Here, we present a protocol to develop high-performance GaP/Si heterojunction solar cells with a high Si minority-carrier lifetime.

Lo sviluppo di celle solari ad alte prestazioni GaP/Si Heterojunction

To improve the efficiency of Si-based solar cells beyond their Shockley-Queisser limit, the optimal path is to integrate them with III-V-based solar ...

Optimization, Test and Diagnostics of Miniaturized Hall Thrusters

Miniaturized spacecraft and satellites require smart, highly efficient and durable low-thrust thrusters, capable of extended, reliable operation without attendance and adjustment. Thermochemical thrusters which utilize thermodynamic properties of gases as a means of acceleration have physical limitations on their exhaust gas velocity, resulting in low efficiency. Moreover, these engines demonstrate extremely low efficiency at small thrusts and may be unsuitable for continuously operating systems which provide real-time adaptive control of the spacecraft orientation, velocity and position. In contrast, electric propulsion systems which use electromagnetic fields to accelerate ionized gases (i.e., plasmas) do not have any physical limitation in terms of exhaust velocity, allowing virtually any mass efficiency and specific impulse. Low-thrust Hall thrusters have a lifetime of several thousand hours. Their discharge voltage ranges between 100 and 300 V, operating at a nominal power of &lt;1 kW. They vary from 20 to 100 mm in size. Large Hall thrusters can provide fractions of millinewton of thrust. Over the past few decades, there has been an increasing interest in small mass, low power, and high efficiency propulsion systems to drive satellites of 50-200 kg. In this work, we will demonstrate how to build, test, and optimize a small (30 mm) Hall thruster capable of propelling a small satellite weighing about 50 kg. We will show the thruster operating in a large space environment simulator, and describe how thrust is measured and electric parameters, including plasma characteristics, are collected and processed to assess key thruster parameters. We will also demonstrate how the thruster is optimized to make it one of the most efficient small thrusters ever built. We will also address challenges and opportunities presented by new thruster materials.

Here, we present a protocol to test and optimize space propulsion systems based on miniaturized Hall-type thrusters.

Ottimizzazione, Test e diagnostica di propulsori a effetto Hall miniaturizzato

Miniaturized spacecraft and satellites require smart, highly efficient and durable low-thrust thrusters, capable of extended, reliable operation without ...

A 100 KW Class Applied-field Magnetoplasmadynamic Thruster

Applied-field magnetoplasmadynamic thrusters (AF-MPD thrusters) are hybrid accelerators in which electromagnetic and gas dynamic processes accelerate plasma to high speed; they have considerable potential for future space applications with the significant advantages of high specific impulse and thrust density. In this paper, we present a series of protocols for designing and manufacturing a 100 kW class of AF-MPD thruster with water-cooling structures, a 130 V maximum discharge voltage, a 800 A maximum discharge current, and a 0.25 T maximum strength of magnetic field. A hollow tantalum tungsten cathode acts as the only propellant inlet to inhibit the radial discharge, and it is positioned axially at the rear of the anode in order to relieve anode starvation. A cylindrical divergent copper anode is employed to decrease anode power deposition, where the length has been reduced to decrease the wall-plasma connecting area. Experiments utilized a vacuum system that can achieve a working vacuum of 0.01 Pa for a total propellant mass flow rate lower than 40 mg/s and a target thrust stand. The thruster tests were carried out to measure the effects of the working parameters such as propellant flow rates, the discharge current, and the strength of applied magnetic field on the performance and to allow appropriate analysis. The thruster could be operated continuously for significant periods of time with little erosion on the hollow cathode surface. The maximum power of the thruster is 100 kW, and the performance of this water-cooled configuration is comparable with that of thrusters reported in the literature.

The goal of this protocol is to introduce the design of a 100 kW class applied-field magnetoplasmadynamic thruster and relevant experimental methods.

Un 100 KW classe campo applicato Magnetoplasmadynamic Thruster

Applied-field magnetoplasmadynamic thrusters (AF-MPD thrusters) are hybrid accelerators in which electromagnetic and gas dynamic processes accelerate ...

Structural Design and Manufacturing of a Cruiser Class Solar Vehicle

Cruisers are multi-occupant solar vehicles that are conceived to compete in long-range (over 3,000 km) solar races based on the best compromise between the energy consumption and the payload. They must comply to the race&#39;s rules regarding the overall dimensions, the solar panel size, functionality, and safety and structural requirements, while the shape, the materials, the powertrain, and the mechanics are considered at the discretion of the designer. In this work, the most relevant aspects of the structural design process of a full-carbon fiber-reinforced plastic solar vehicle are detailed. In particular, the protocols used for the design of the lamination sequence of the chassis, the leaf springs structural analysis, and the crash test numerical simulation of the vehicle, including the safety cage, are described. The complexity of the design methodology of fiber-reinforced composite structures is compensated by the possibility of tailoring their mechanical characteristics and optimizing the overall weight of the car.

In this work, several aspects related to the structural design process of a full-carbon fiber-reinforced plastic solar vehicle are detailed, focusing on the monocoque chassis, the leaf springs, and the vehicle as a whole during a crash test.

Progettazione strutturale e costruzione di un incrociatore classe veicolo solare

Cruisers are multi-occupant solar vehicles that are conceived to compete in long-range (over 3,000 km) solar races based on the best compromise between ...