Name: design and optimization strategies of a high-performance vented box
Uploaded: 2023-06-09T14:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Design and Optimization Strategies of a High-Performance Vented Box at JoVE.com

Это исследование поддерживается Вэньчжоуским научно-техническим бюро Китая (крупный научно-технический инновационный проект в Вэньчжоу в рамках гранта No ZG2020029). Исследование финансируется Вэньчжоуской ассоциацией науки и техники с грантом No KJFW09. Это исследование было поддержано Муниципальной ключевой научно-исследовательской программой Вэньчжоу (ZN2022001).

1. Предсимуляционная обработка
ПРИМЕЧАНИЕ: Принимая во внимание массивы труб, трехмерная нижняя половина и верхняя половина моделей вентилируемых коробок устанавливаются с помощью трехмерного программного обеспечения и сохраняют их в виде файлов X_T, габаритные...

<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>

Из-за его высокой производительности и сложной конструкции в этом исследовании мы построили вентилируемый бокс на основе программного обеспечения для моделирования. Мы проанализировали внутренний поток с помощью программного обеспечения для моделирования. Программное обеспечение ?...

Свежие овощи и фрукты занимают высокую долю потребления пищи человеком не только потому, что они имеют хороший вкус и привлекательную форму, но и потому, что они приносят большую пользу людям для получения питания и поддержания здоровья1. Многие исследования показали, что свежие фрукты и овощи играют уникальную роль в профилактике многих заболеваний 2,3. В процессе хранения свежих фруктов и овощей грибы, свет, температура и относительная влажность являются важными причинами их порчи 4,5,6,7,8. Эти внешние условия влияют на качество хранимых свежих фруктов и овощей, влияя на внутренний обмен веществ или химические реакции9.
Распространенные технологии обработки фруктов и овощей включают нетермическую и термическую консервацию. Среди них термическая предварительная обработка оказывает положительное влияние на процесс сушки, но она также может оказывать неблагоприятное воздействие на качество продукта, такое как потеря питательных веществ, изменение вкуса и запаха, изменение цвета10,11. Поэтому в последние годы нетермическая консервация продуктов привлекла внимание с точки зрения исследований, чтобы удовлетворить спрос потребителей на свежие продукты. В настоящее время существуют в основном радиационная обработка, импульсное электрическое поле, обработка озоном, съедобные покрытия, углекислый газ в плотной фазе и другие технологии нетермической консервации для хранения фруктов и овощей, но эти технологии часто имеют недостатки, такие как требование большого оборудования, высокая цена и стоимость использования12. Таким образом, конструкция простой конструкции, низкая стоимость и удобное управление оборудованием для консервации очень важны для пищевой промышленности.
В среде хранения фруктов и овощей надлежащая система циркуляции воздуха помогает устранить тепло, выделяемое самим продуктом, уменьшить температурный градиент и поддерживать температуру и влажность в помещении, где он находится. Правильная циркуляция воздуха также предотвращает потерю веса из-за дыхания и грибковых инфекций13,14,15. Были проведены многочисленные исследования воздушного потока в различных структурах. Praeger et al.16,17 измерили скорость ветра в разных положениях при разной рабочей мощности вентилятора на складе с помощью датчиков и обнаружили, что может быть семикратная разница в скорости воздуха из-за разной вертикальной высоты, и скорость воздуха в каждом положении положительно коррелирует с рабочей мощностью вентилятора. Кроме того, в исследовании изучалось влияние расположения груза и количества вентиляторов на воздушный поток, и был сделан вывод о том, что увеличение расстояния между некоторыми положениями вентиляторов и рациональный выбор количества вентиляторов были полезны для улучшения эффекта. Berry et al.18 изучили влияние воздушного потока в различных условиях хранения фруктов на распределение устьиц в упаковочных коробках. Используя программное обеспечение для моделирования, Dehghannya et al.19,20 изучили состояние воздушного потока принудительного предварительного холодного воздуха в упаковке с различными вентиляционными площадями, количеством и положением распределения на стенке упаковки и получили нелинейное влияние каждого параметра на состояние воздушного потока. Delele et al.21 применили вычислительную модель гидродинамики для изучения влияния продуктов, случайно распределенных в различных формах вентиляционных коробок, на воздушный поток. Они обнаружили, что размер продукта, пористость и соотношение отверстий в коробке оказывают большее влияние на воздушный поток, тогда как случайное заполнение оказывает меньшее влияние. Ilangovan et al.22 изучили модели воздушного потока и тепловое поведение между тремя упаковочными структурами и сравнили результаты с эталонными структурными моделями. Результаты показали, что распределение тепла в коробке не было равномерным из-за разного расположения и конструкции вентиляционного отверстия. Gong et al.23 оптимизировали ширину зазора между краем лотка и стенкой контейнера.
Методы, используемые в этой статье, включают методы моделирования и оптимизации. Принцип первого заключается в том, что управляющие уравнения были дискретизированы и численно решены с использованием метода конечного объема21. Метод оптимизации, используемый в данной работе, называется ортогональной оптимизацией24. Ортогональный критерий является типичным методом многофакторного и многоуровневого анализа. Ортогональная таблица, построенная с использованием этого метода, содержит репрезентативные точки, равномерно распределенные в пространстве проектирования, которые могут визуально описывать все пространство проектирования и быть исследованными. То есть, меньшее количество баллов представляет собой полный факторный тест, что значительно экономит время, рабочую силу, материальные и финансовые ресурсы. Ортогональный тест широко используется при планировании экспериментов в области энергетических систем, химии, гражданского строительства и т.д.25.
Целью данного исследования является проектирование и оптимизация высокопроизводительной вентилируемой коробки. Вентилируемая коробка может быть определена как оригинальная коробка, включающая устройство управления газом, которое равномерно рассеивает газ в коробке. Равномерность скорости относится к тому, насколько равномерно воздух проходит через вентилируемую коробку. Yun-De et al.26 ранее показали, что свойство многопористого материала оказывает важное влияние на равномерность скорости коробки со свежими овощами. В некоторых экспериментах камеру или модулированную камеру оставляли как в верхней, так и в нижней части испытательной камеры, чтобы гарантировать однородное распределение принудительного или индуцированного воздуха27. Вентилируемая коробка, разработанная в этой статье, содержит массивы труб с зигзагообразными отверстиями. Управление распределением воздушного потока в вентилируемой коробке является основной стратегией сохранения. Есть два воздухозаборника одинакового размера, установленные параллельно с левой и правой сторонами вентилируемой коробки, а выпускное отверстие установлено на верхней стороне коробки. Проектирование внутренней структуры вентилируемой коробки является ключом к этому исследованию. Другими словами, количество труб и отверстий является важным параметром для изменения внутренней структуры вентилируемого короба. Эталонная модель имеет 10 труб. Две средние трубы имеют по 10 отверстий каждая, которые расположены в шахматном порядке поперек труб. Количество отверстий от средней до внешней трубы увеличивайте на два за раз.
Другими словами, когда мы храним свежие овощи, фрукты и другие продукты, непрерывный и стабильный поток воздуха может уменьшить дыхание продуктов, уменьшить этилен и другие вредные вещества для сохранения продуктов и снизить температуру, производимую самими продуктами. Из-за различных параметров вентилируемой коробки нелегко получить требуемое состояние воздушного потока, что повлияет на сохранность вентилируемой коробки. Таким образом, в качестве цели управления в проекте используется равномерность скорости внутреннего воздушного потока вентилируемой коробки. Проведен анализ чувствительности конструктивных параметров вентилируемого короба. Отбор образцов проводился методом ортогонального экспериментального проектирования. Мы использовали анализ диапазона для оптимизации комбинации трех структурных параметров. Тем временем мы проверяем желательность результатов оптимизации.

<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

Данное исследование направлено на решение проблем хаоса воздушных потоков и низкой производительности в вентилируемой коробке, вызванной неоднородным распределением воздушного потока через конструкцию внутренней структуры вентилируемой коробки с постоянным потреблением энергии. Конечная цель состоит в том, чтобы равномерно распределить воздушный поток внутри вентилируемой коробки. Анализ чувствительности проводился по трем конструктивным параметрам: количеству труб, количеству отверстий в средней трубе и количеству каждого приращения от внутренней к внешней трубе. Всего с использованием ортогонального экспериментального дизайна было определено 16 случайных наборов массивов из трех структурных параметров с четырьмя уровнями. Коммерческое программное обеспечение использовалось для построения 3D-модели выбранных экспериментальных точек, и эти данные использовались для получения скоростей воздушного потока, которые затем использовались для получения стандартного отклонения каждой экспериментальной точки. По результатам анализа диапазона было оптимизировано сочетание трех конструктивных параметров. Другими словами, был создан эффективный и экономичный метод оптимизации, учитывающий производительность вентилируемого ящика, и его можно широко использовать для продления времени хранения свежих продуктов.

В соответствии с протоколом наиболее важными были первые три части, которые включают моделирование, создание сетки и симуляцию, и все это для получения стандартного отклонения скорости потока. Затем мы завершили оптимизацию структуры вентилируемой коробки с помощью ортогональных экс...

Watch this Scientific Journal Video about Design and Optimization Strategies of a High-Performance Vented Box at JoVE.com

Design and Optimization Strategies of a High-Performance Vented Box

Здесь мы представляем метод анализа диапазона для оптимизации точек выборки, генерируемых ортогональным экспериментальным дизайном, чтобы гарантировать, что свежие продукты могут храниться в вентилируемом ящике в течение длительного времени, регулируя схему воздушного потока.

Стратегии проектирования и оптимизации высокопроизводительной вентилируемой коробки

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 ...

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.

Исследование и разработка взрывчатых веществ с высокими эксплуатационными характеристиками

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

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.

Зондирование C<sub&gt; 84</sub&gt; -вложено Si подложки с помощью сканирующей зондовой микроскопии и молекулярной динамики

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.

Высокая производительность импеданса на основе платформы для испарения определение скорости

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.

Масштабируемая стратегия обработки, разработанная для высокопроизводительных, гибких, прозрачных электродов с встроенной металлической сеткой

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.

Обнаружение водорастворимый хлорид распределение цементной пасты в виде высокой точности

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.

При содействии потока диэлектрофореза: Низкая стоимость метод для изготовления высокой производительности решения обрабатываемых нанопроволоки устройств

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.

Разработка высокопроизводительных разрыв/Si гетеропереход солнечных батарей

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.

Оптимизация, испытания и диагностика миниатюрных Холл подруливающие устройства

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 кВт класса применяется поле Magnetoplasmadynamic подруливающее устройство

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.

Структурное проектирование и изготовление крейсера класса солнечного автомобиля

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 ...