Name: design and optimization strategies of a high-performance vented box
Uploaded: 2023-06-09T14:00:00
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이 연구는 중국 원저우 과학 기술국(보조금 번호 ZG2020029에 따른 온주 주요 과학 기술 혁신 프로젝트)의 지원을 받습니다. 이 연구는 원저우 과학 기술 협회 (Wenzhou Association for Science and Technology)가 보조금 번호 KJFW09로 자금을 지원합니다. 이 연구는 온주시 핵심 과학 및 연구 프로그램(ZN2022001)의 지원을 받았습니다.

1. 사전 시뮬레이션 처리
참고: 파이프 배열을 고려하여 3차원 소프트웨어를 사용하여 3차원 하단 절반과 벤트 박스 모델의 상단 절반을 설정하고 X_T 파일로 저장하여 전체 치수를 그림 1에 표시합니다. 구성은 재료 표에 나와 있습니다.
<ol><li>시뮬레이션 소프트웨어를 실행하고 메시 구성 요소를 "Component Systems"에서 "Project Schema...

<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>

고성능과 복잡한 구조로 인해 본 연구에서는 모델링 소프트웨어를 기반으로 통풍 박스를 구축했습니다. 시뮬레이션 소프트웨어로 내부 흐름을 분석했습니다. 시뮬레이션 소프트웨어는 난류 모델링, 단상 및 다상 흐름, 연소, 배터리 모델링, 유체 구조 상호 작용 등을 포함하는 고급 물리 모델링 기능으로 유명합니다. 본 논문에서 사용한 시료 선별 방법은 직교 실험 설계 방법으로 과학적 방법, ?...

신선한 채소와 과일은 맛이 좋고 형태가 매력적일 뿐만 아니라 영양을 섭취하고 건강을 유지하는 데 큰 도움이 되기 때문에 인간 식품 소비의 높은 비율을 차지합니다1. 많은 연구에 따르면 신선한 과일과 채소는 많은 질병을 예방하는 데 독특한 역할을 한다 2,3. 신선한 과일과 채소의 저장 과정에서, 곰팡이, 빛, 온도 및 상대 습도는 열화의 중요한 원인이다 4,5,6,7,8. 이러한 외부 조건은 내부 신진 대사 또는 화학 반응에 영향을 주어 저장된 신선한 과일과 채소의 품질에 영향을 미칩니다9.
과일과 채소에 대한 일반적인 처리 기술에는 비열 및 열 보존이 포함됩니다. 그 중 열처리는 건조 과정에 긍정적인 영향을 미치지만 영양소 손실, 맛과 냄새의 변화, 색상 변화와 같은 제품 품질에 악영향을 미칠 수도 있습니다10,11. 따라서 최근에는 신선한 제품에 대한 소비자의 요구를 충족시키기 위해 제품의 비열 보존이 연구 관점에서 주목을 받고 있습니다. 현재 과일과 채소를 저장하기위한 방사선 처리, 펄스 전기장, 오존 처리, 식용 코팅, 고밀도 상 이산화탄소 및 기타 비 열 보존 기술이 주로 있지만 이러한 기술은 종종 대형 장비의 요구 사항, 높은 가격 및 사용 비용과 같은 단점이 있습니다12. 따라서 간단한 구조, 저렴한 비용 및 보존 장비의 편리한 제어의 설계는 식품 산업에 매우 의미가 있습니다.
과일 및 채소의 보관 환경에서 적절한 공기 순환 시스템은 제품 자체에서 발생하는 열을 제거하고 온도 구배를 줄이며 제품이 위치한 공간의 온도와 습도를 유지하는 데 도움이 됩니다. 적절한 공기 순환은 또한 호흡 및 곰팡이 감염으로 인한 체중 감소를 예방합니다13,14,15. 다양한 구조 내의 공기 흐름에 대한 수많은 연구가 수행되었습니다. Praeger et al.16,17은 센서를 통해 창고의 서로 다른 팬 작동 전력 하에서 서로 다른 위치에서 풍속을 측정한 결과, 수직 높이가 다르기 때문에 풍속의 차이가 7배까지 클 수 있으며 각 위치의 풍속은 팬 작동 전력과 양의 상관관계가 있음을 발견했습니다. 또한, 화물 배치와 팬 수가 공기 흐름에 미치는 영향을 조사한 결과, 일부 팬 위치의 거리를 늘리고 팬 수를 합리적으로 선택하는 것이 효과를 개선하는 데 도움이 된다는 결론을 내렸습니다. Berry et al.18은 포장 상자의 기공 분포에 대한 다양한 과일 저장 환경의 공기 흐름의 영향을 연구했습니다. 시뮬레이션 소프트웨어를 사용하여 Dehghannya et al.19,20은 포장 벽의 통풍 영역, 수량 및 분포 위치가 다른 패키지의 강제 냉기 전 공기의 공기 흐름 상태를 연구하고 공기 흐름 상태에 대한 각 매개변수의 비선형 영향을 얻었습니다. Delele et al.21은 전산 유체 역학 모델을 적용하여 다양한 형태의 환기 상자에 무작위로 분포된 제품이 공기 흐름에 미치는 영향을 연구했습니다. 그들은 제품 크기, 다공성 및 상자 구멍 비율이 공기 흐름에 더 큰 영향을 미치는 반면 무작위 충전은 더 작은 영향을 미친다는 것을 발견했습니다. Ilangovan et al.22는 세 가지 포장 구조 사이의 기류 패턴과 열 거동을 연구하고 그 결과를 참조 구조 모델과 비교했습니다. 그 결과 통풍구의 위치와 디자인이 다르기 때문에 상자의 열 분포가 균일하지 않은 것으로 나타났습니다. Gong et al.23은 트레이의 가장자리와 용기의 벽 사이의 간격의 너비를 최적화했습니다.
이 백서에 사용된 기술에는 시뮬레이션 및 최적화 방법이 포함됩니다. 전자의 원리는 지배 방정식이 이산화되고 유한 부피 방법21을 사용하여 수치적으로 풀렸다는 것입니다. 본 논문에서 사용된 최적화 방법을 직교 최적화(24)라고 한다. 직교 검정은 일반적인 다단계 및 다단계 분석 방법입니다. 이 방법을 사용하여 구축된 직교 테이블에는 디자인 영역에 균일하게 분포된 대표 점이 포함되어 있어 전체 디자인 영역을 시각적으로 설명하고 검사할 수 있습니다. 즉, 전체 요인 테스트를 나타내는 점수가 적을수록 시간, 인력, 재료 및 재정 자원이 크게 절약됩니다. 직교 시험은 전력 시스템, 화학, 토목 공학 등의 분야에서 실험 설계에 널리 사용되어 왔다25.
이 연구의 목적은 고성능 벤트 박스를 설계하고 최적화하는 것입니다. 벤티드 박스(vented box)는 박스 내에 가스를 균일하게 분산시키는 가스 제어 장치를 포함하는 오리지널 박스로 정의할 수 있다. 속도 균일성은 공기가 벤트 박스를 통해 얼마나 고르게 흐르는지를 나타냅니다. Yun-De et al.26 은 이전에 다공성 물질의 특성이 신선한 야채 상자의 속도 균일성에 중요한 영향을 미친다는 것을 보여주었습니다. 일부 실험에서, 플레넘 또는 변조된 챔버는 강제 또는 유도 공기 중 어느 하나의 균질한 분포를 보장하기 위해 시험 챔버의 상부 및 하부 둘 다에 남겨졌다(27). 이 문서에서 설계한 통풍 상자에는 지그재그 구멍이 있는 파이프 배열이 포함되어 있습니다. 통풍 상자의 공기 흐름 분포를 제어하는 것이 주요 보존 전략입니다. 통풍 상자의 왼쪽과 오른쪽에 평행하게 설정된 동일한 크기의 두 개의 공기 흡입구가 있으며 상자의 위쪽에 배출구가 설정됩니다. 통풍 상자의 내부 구조를 설계하는 것이 이 연구의 핵심입니다. 즉, 파이프와 구멍의 수는 벤트 박스의 내부 구조를 변경하는 중요한 매개 변수입니다. 참조 모델에는 10개의 파이프가 있습니다. 두 개의 중간 파이프에는 각각 10개의 구멍이 있으며 파이프를 가로질러 엇갈리게 배치되어 있습니다. 중간에서 외부 파이프까지의 구멍 수는 한 번에 두 개씩 증가합니다.
즉, 신선한 야채, 과일 및 기타 제품을 보관할 때 지속적이고 안정적인 공기 흐름은 제품의 호흡을 감소시키고 제품 보존을 위한 에틸렌 및 기타 유해 물질을 감소시키며 제품 자체에서 생성되는 온도를 낮출 수 있습니다. 통풍 상자의 매개변수가 다르기 때문에 필요한 공기 흐름 상태를 얻기가 쉽지 않아 통풍 상자의 보존 특성에 영향을 미칩니다. 따라서 프로젝트는 통풍 상자의 내부 기류 속도 균일성을 제어 목표로 삼습니다. 벤티드 박스의 구조적 파라미터에 대한 민감도 분석이 수행되었습니다. 샘플은 직교 실험 설계에 의해 선택되었습니다. 우리는 세 가지 구조 매개변수의 조합을 최적화하기 위해 범위 분석을 사용했습니다. 한편, 최적화 결과의 바람직 함을 확인합니다.

<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

본 연구는 일정한 에너지 소비를 갖는 통기박스의 내부구조 설계를 통해 기류의 이질적인 분포로 인한 통기박스의 기류 혼돈과 성능 저하 문제를 해결하는 것을 목적으로 한다. 최종 목표는 통풍 상자 내부의 공기 흐름을 고르게 분배하는 것입니다. 민감도 분석은 파이프 수, 중간 파이프의 구멍 수, 파이프 내부에서 외부로의 각 증분 수의 세 가지 구조 매개변수에 대해 수행되었습니다. 직교 실험 설계를 사용하여 4개의 수준을 가진 3개의 구조 매개변수로 구성된 총 16개의 무작위 배열 세트를 결정했습니다. 상용 소프트웨어는 선택된 실험 지점에 대한 3D 모델 구성에 사용되었으며,이 데이터는 기류 속도를 얻는 데 사용되었으며, 그 다음 각 실험 지점의 표준 편차를 얻는 데 사용되었습니다. 범위 분석에 따르면 세 가지 구조 매개변수의 조합이 최적화되었습니다. 즉, 통기박스의 성능을 고려한 효율적이고 경제적인 최적화 방법을 확립하여 신선식품의 보관시간을 연장하는데 널리 활용될 수 있었다.

프로토콜에 따라 처음 세 부분이 가장 중요했으며, 여기에는 모델링, 메싱 및 시뮬레이션이 모두 유속의 표준 편차를 얻기 위한 것이었습니다. 이어 직교 실험과 범위 분석을 통해 벤티드 박스의 구조 최적화를 완료했습니다. 프로토콜에 사용되는 모델은 참조에서 얻은 초기 모델인 참조 환기 상자 모델입니다. 도 4는 reference vented box 모델의 유선형 흐름에 대한 결과이고, 도 ...

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Design and Optimization Strategies of a High-Performance Vented Box

여기에서는 공기 흐름 패턴을 조절하여 신선 식품을 통풍 상자에 장기간 보관할 수 있도록 직교 실험 설계에 의해 생성된 샘플 포인트를 최적화하는 범위 분석 방법을 제시합니다.

고성능 Vented Box의 설계 및 최적화 전략

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 ...

본 연구는 일정한 에너지 소비를 전제로 통기구의 내부 구조 설계를 통해 불합리한 기류 분포로 인한 통기박스의 불합리한 배합 및 통기박스의 성능 저하 문제를 해결하는 것을 목적으로 한다. 벤티드 박스의 성능을 고려한 효율적이고 경제적인 최적화 방법을 확립하여 신선식품의 보관 시간을 연장하는 데 쉽게 사용할 수 있습니다. 이 연구의 목적은 지그재그 구멍이 있는 파이프 배열을 포함하는 고성능 통풍 상자를 설계하고 최적화하는 것입니다.벤트 박스의 왼쪽과 오른쪽에 평행하게 설정된 동일한 크기의 두 개의 공기 흡입구가 있으며, 벤트 박스의 상단에는 배출구가 설정되었습니다. 참조 모델에는 10개의 파이프가 있습니다. 두 개의 중간 파이프에는 각각 10개의 구멍이 있으며 파이프를 가로질러 엇갈리게 배치되어 있습니다.중간에서 외부 파이프까지의 구멍 수는 한 번에 두 개씩 증가합니다. 파이프의 배열을 고려하여 3차원 소프트웨어를 사용하여 3차원 소프트웨어를 사용하여 벤티드 박스 모델의 3차원 하단 절반과 상단 절반을 XT 파일로 저장하여 설정합니다. 시뮬레이션 소프트웨어를 실행하고 메쉬 구성요소를 구성요소 시스템에서 프로젝트 회로도 창으로 끕니다.이름을 아래쪽으로 지정합니다. 지오메트리를 마우스 오른쪽 버튼으로 클릭하고 찾아보기(browse)를 클릭하여 아래쪽 XT 파일을 가져옵니다. 지오메트리를 마우스 오른쪽 버튼으로 클릭하고 새 디자인 모델러 지오메트리를 클릭하여 메쉬 디자인 모델러 창으로 들어갑니다.생성을 클릭하여 하단 모델을 표시합니다. 위쪽 서피스를 마우스 오른쪽 버튼으로 클릭하고 명명된 선택 항목을 클릭하여 이름을 Vented Box Upper로 바꿉니다. 선택 필터 바디를 선택합니다.아래쪽 모델을 마우스 오른쪽 버튼으로 클릭하여 명명된 선택 항목을 선택하고 아래쪽으로 이름을 바꿉니다. 선택 필터 면을 선택하고 선택 모드를 선택 상자로 전환합니다. 모든 내부 서피스를 선택하고 마우스 오른쪽 버튼을 클릭하여 명명된 선택 항목을 선택하고 나중에 메쉬 인터페이스로 정의된 내부 서피스 외부로 이름을 바꿉니다.초기 창으로 돌아갑니다. 하단의 메쉬를 두 번 클릭합니다. 메싱 창으로 들어갑니다.물리적 기본 설정을 기계식에서 CFD로 변경합니다. 업데이트를 클릭하여 메쉬 모델을 생성합니다. 초기 창으로 돌아갑니다.메쉬 구성요소를 구성요소 시스템에서 프로젝트 회로도 창으로 끕니다. 이름을 top으로 지정합니다. 지오메트리를 마우스 오른쪽 버튼으로 클릭하고 찾아보기를 클릭하여 맨 위 XT 파일을 가져옵니다.지오메트리를 마우스 오른쪽 버튼으로 클릭하고 새 디자인 모델러 지오메트리를 클릭하여 메쉬 디자인 모델러 창으로 들어갑니다. 생성을 클릭하여 최상위 모델을 표시합니다. 아래쪽 서피스를 마우스 오른쪽 버튼으로 클릭하고 명명된 선택 항목을 클릭하여 아래쪽 통풍 상자로 이름을 바꿉니다.선택 필터 바디를 선택합니다. 맨 위 모델을 마우스 오른쪽 버튼으로 클릭하여 명명된 선택 항목을 선택하고 이름을 맨 위로 바꿉니다. 선택 필터 면을 선택합니다.위쪽 서피스를 마우스 오른쪽 버튼으로 클릭하고 명명된 선택 항목을 클릭하여 콘센트로 이름을 바꿉니다. 초기 창으로 돌아갑니다. 상단의 메쉬를 두 번 클릭합니다.메싱 창으로 들어갑니다. 물리적 기본 설정을 기계식에서 CFD로 변경합니다. 메쉬를 마우스 오른쪽 버튼으로 클릭하여 삽입물의 크기를 선택합니다.선택 필터 바디를 선택합니다. 요소 크기에서 상위 모델과 상위 18개를 선택합니다. 업데이트를 클릭합니다.초기 창으로 돌아갑니다. 메쉬 구성요소를 구성요소 시스템에서 프로젝트 회로도 창으로 끕니다. 이름을 파이프로 지정합니다.형상을 클릭하여 파이프 XT 파일을 가져옵니다. 메쉬 디자인 모델러 창으로 들어갑니다. 생성(Generate)을 클릭하면 파이프 모델이 다시 표시됩니다.파이프의 두 끝면을 선택하고 입구 1과 입구 2로 레이블을 지정합니다. 본체 선택에 의한 파이프는 파이프로 표시됩니다. 상자 선택에 의한 모든 내부 서피스는 내부 서피스 내부로 레이블이 지정되며 나중에 메쉬 인터페이스로 정의됩니다.초기 창으로 돌아갑니다. 파이프의 메쉬를 두 번 클릭합니다. 메싱 창으로 들어갑니다.물리적 기본 설정을 기계식에서 CFD로 변경합니다. 메쉬 모델은 업데이트를 클릭하여 생성할 수 있습니다. 초기 창으로 돌아갑니다.시뮬레이션 구성요소를 프로젝트 회로도 창으로 끕니다. 세 개의 메시 구성 요소를 시뮬레이션 구성 요소에 연결하고 업데이트하여 입력합니다. 메쉬 모델의 품질을 확인합니다.메시의 음수 볼륨이 있는지 확인합니다. 안정 요인, 완화 요인, 잔차 요인 및 시간 척도 요인을 선택합니다. 기본값을 선택합니다.점성 모델의 설정 인터페이스로 들어가 K-epsilon 모델을 선택합니다. 공기 재질을 설정합니다. 셀 영역의 유형을 유체로 변경합니다.통기된 상자 위쪽, 통기된 상자 아래쪽, 내부 서피스 외부 및 내부 서피스의 유형을 기본 벽에서 인터페이스로 변환합니다. 메시 인터페이스를 열고 메시 인터페이스 생성/편집 창으로 들어갑니다. 외부 내부 서피스를 내부 서피스 내부와 일치시킵니다.통풍 상자 상단을 통풍 상자 하단에 일치시킵니다. 마지막으로, 두 개의 메시 인터페이스가 벤티드 박스 사이에 생성되고 인터페이스 1과 인터페이스 2로 각각 명명됩니다. 속도 입구 창에서 모든 입구의 공기 흐름 속도를 초당 8.9525미터로 설정합니다.압력 출구 창에서 출구의 게이지 압력을 0으로 설정합니다. 초기화하기 전에 솔루션 초기화 스타일을 표준 초기화로 설정합니다. 반복 횟수를 2000으로 설정합니다.계산을 클릭하여 시뮬레이션을 시작하고 시뮬레이션이 끝날 때까지 초기 창으로 돌아갑니다. 결과를 클릭합니다. CFD 포스트 창으로 들어갑니다.도구 상자에서 유선형 아이콘을 클릭합니다. 시작 방향과 역방향 콘센트를 선택합니다. 적용을 클릭하여 벤트 박스의 내부 흐름도를 생성합니다.위치에서 평면을 클릭합니다. 방법(Method)에서 ZX 평면(ZX plane)을 선택하고 값 0.6을 입력합니다. 적용(apply)을 클릭하여 바닥면에서 0.6미터 떨어진 곳에 평면을 생성합니다.도구 상자에서 등고선 아이콘을 클릭합니다. 위치에서 평면을 선택합니다. 변수에서 속도를 선택합니다.범위 내 로컬을 선택합니다. 적용(Apply)을 클릭하여 속도 등고선을 생성합니다. 위에서 생성된 평면에 대한 유량 데이터를 내보냅니다.Excel에서 유량의 표준 편차를 구합니다. 통계 분석 소프트웨어를 실행합니다. 데이터를 클릭하고 직교 설계에서 생성을 클릭합니다.계수 이름에 파이프 번호를 입력하고 요인 레이블에 A를 입력합니다. 값을 추가하고 정의(add)를 클릭하여 파이프 수에 대해 4개의 수준을 설정합니다. 계속을 클릭하고 직교 설계 생성 창으로 돌아갑니다.요인 이름에 구멍 번호를 입력하고 요인 레이블에 B를 입력합니다. 추가를 클릭하고 값을 정의하여 구멍 수에 대해 4개의 레벨을 설정합니다. 계속을 클릭하고 직교 설계 생성 창으로 돌아갑니다.요인 이름에 누적 숫자를 입력하고 요인 레이블에 C를 입력합니다. Add and define values(값 추가 및 정의)를 클릭하여 증분 수에 대해 4개의 수준을 설정합니다. 계속을 클릭하고 새 데이터 파일을 만들어 16개의 배열 샘플을 생성합니다.변수 뷰를 클릭하여 측정값에서 명목을 선택하고 역할에서 입력을 선택합니다. 표준 편차 곱하기 100, 000으로 이름을 바꿉니다. 위의 샘플 포인트로 1.1-2.5단계를 반복합니다.결과 16 표준 편차에 100, 000을 곱하면 나중에 최적화할 수 있도록 샘플 목록에 채워집니다. 분석(analyze)을 클릭하고 일반 선형 모형에서 일변량(univariate in general linear model)을 클릭합니다. 표준 편차 곱하기 100, 000을 종속 변수로 채우고 파이프 번호, 구멍 번호, 누적 수를 고정 계수로 채 웁니다.모형을 클릭하고 항을 작성합니다. 교호작용을 주효과로 변경합니다. A, B, C를 모델에 채웁니다.계속을 클릭하고 일변량 창으로 돌아갑니다. EM 수단을 클릭하고 A, B, C를 표시 수단으로 채 웁니다. 계속을 클릭하고 일변량 창으로 돌아갑니다.확인을 클릭하고 최적화 결과를 얻습니다. 표에서 평균 열의 최소값은 최적 변수에 해당합니다. 테이블을 두 번 클릭합니다.피벗 테이블 창으로 들어갑니다. edit(편집)를 클릭하고 create graph(그래프 생성)에서 bar(막대)를 클릭하여 히스토그램을 생성합니다. 그림 4와 그림 5에서 볼 수 있듯이 나중에 환기된 상자의 유선형은 통풍 상자의 내부 구조로 인해 전자보다 훨씬 더 지저분합니다.그림 6과 그림 7에서 볼 수 있듯이 민감도 분석에 사용되는 모델 중 하나인 벤티드 박스 내부의 유속은 더 고르지 않습니다. 환기 상자 내부의 유선형 분포를 보다 직관적으로 이해하기 위해 이 공식으로 표준 편차를 계산합니다. 표 1은 민감도 분석에 사용된 통기 상자의 10개 그룹에 대한 유량의 표준 편차를 보여줍니다.표준 편차가 크면 대부분의 유량과 평균 유량 간의 큰 차이를 나타냅니다. 따라서 벤트 박스의 내부 구조를 변경하면 내부 흐름이 변경되어 유선형이 보다 합리적임을 알 수 있습니다. 직교 실험을 설계할 때 이 문서에는 세 가지 설계 변수가 있습니다.이 세 변수에는 각각 4개의 수준이 있습니다. 표에서 볼 수 있듯이 직교 실험 설계에 의해 16 개의 실험 설계 포인트 그룹이 얻어졌습니다. 표준 편차가 계산됩니다.결국, 범위 분석 방법은 최적의 구조 파라미터 조합을 찾기 위한 최적화 방법으로 사용됩니다. 그림 8은 파이프 수에 대한 구조 매개변수에 대한 최적화 결과를 보여줍니다. 이를 통해 파이프 수가 14 일 때 최소값을 얻을 수 있음을 알 수 있습니다.그림 9는 중간 파이프의 구멍 수에 대한 구조 매개변수에 대한 최적화 결과를 보여줍니다. 이를 통해 중간 파이프의 구멍 수가 14 개일 때 최소값을 얻을 수 있음을 알 수 있습니다. 도 10은 파이프 내부에서 외부로 각 증분 개수에 대한 구조 파라미터에 대한 최적화 결과를 나타낸 것이다.이로부터 파이프 내부에서 외부로의 각 증분 수가 4 일 때 최소값을 얻을 수 있음을 알 수 있습니다. 위의 분석에 따르면 최적의 조합은 파이프 번호 14, 구멍 번호 14, 누적 번호 4입니다. 정확성을 확인하기 위해 최적의 케이스를 분석했습니다.그림 4와 11은 참조 모델과 최적화된 모델의 간소화를 보여줍니다. 그림 6과 12는 참조 모델 내부의 유속 분포와 최적화된 모델을 보여줍니다. 표 3은 최적화 모델과 참조 모델 간의 비교를 보여줍니다.최적화된 모델에 의해 계산된 표준편차는 기준 모델의 표준편차에 비해 낮다는 것을 알 수 있다. 표 4는 표준 편차의 변화가 거의 없이 구멍 수가 4개에서 6개로 증가한 것을 보여줍니다. 본 논문에서는 벤티드 박스의 구조를 최적화하여 내부 환경을 개선하고 내부 환경의 품질을 표준편차로 측정한다.표준 편차가 작을수록 벤트 박스 내부의 공기 흐름이 더 합리적이며, 이는 이 작업에 채택된 최적화 방법이 효과적이고 실현 가능함을 나타냅니다.

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.

고성능 폭발물의 연구 개발

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

연구

공학

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.

C 프로빙<sub&gt; (84)</sub&gt;은 스캐닝 프로브 현미경 및 분자 역학을 사용하여 실리콘 기판을 - 임베디드

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.

증발 속도 검출을위한 고성능 임피던스 기반 플랫폼

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.

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.

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.

흐름 기반 Dielectrophoresis: 고성능 솔루션 처리 나노와이어 소자의 제조에 대 한 낮은 비용 방법

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.

높은 성능 격차/Si Heterojunction 태양 전지 개발

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.

최적화, 테스트 그리고 소형된 홀 로켓의 진단

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.

100 KW 클래스 적용 필드 Magnetoplasmadynamic 로켓

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.

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 ...