采后蜜桃传热传质及预冷效果模型构建研究

来源 :山西农业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:mfdbuxing
下载到本地 , 更方便阅读
声明 : 本文档内容版权归属内容提供方 , 如果您对本文有版权争议 , 可与客服联系进行内容授权或下架
论文部分内容阅读
蜜桃采后快速均匀预冷是抑制内部微生物生长,以减少其营养消耗和延长果实货架期的关键步骤,也是保障蜜桃在低温贮藏运输过程中质量和安全的第一环节。然而,不同的预冷策略和瓦楞通风包装纸箱开孔参数设计对蜜桃采后预冷效果具有不同的影响程度。因此,本文深入研究了送风和开孔参数对蜜桃整个预冷过程的宏观和微观影响,即从微观的果实内部传热传质特性、湿冷空气流动情况到宏观的预冷均匀性、冷藏转移时间以及水分损失、风机能耗上进行了详细的综合分析与对比,以优化确定最佳的预冷策略和开孔设计参数。但是预冷试验只能进行现场测试,以实现果实预冷效果的宏观分析,而无法高精度观测果实在预冷过程中的微观变化。由此,本研究构建了单箱多层蜜桃在预冷过程中的三维计算流体动力学CFD-WIHS(Computational Fluid Dynamics-With Internal Heat Source)传热传质数值模型,并将山西省晋中市太谷区特色果实大久保蜜桃作为试验对象来验证该模型准确性。最后利用已通过试验验证的CFD-WIHS数值模型来获取大量高精度的三维时空温度以及流场分布数据,以构建基于GA-BP神经网络的蜜桃预冷效果预测模型。本文的创新点和研究结论主要从以下四个方面阐述,分别是:(1)提出了CFD-WIHS传热传质数学建模方法。本文在先前学者已开发的CFD数值模型基础上,增加了对果实内部热源动态传热数学模型的构建,并结合FLUENT中的自定义函数(User-Defined Function,UDF)对其进行了C语言编码,使其能量模型能加载进入蜜桃内部计算域传热传质数学方程中,以提高预测果实在预冷过程中发生强制对流换热现象的真实性。最后该建模方法的预测精准性将通过模拟结果与试验数据结合对比的方式来进行相关验证,结果显示:内部热源的加载使预测果实温度的均方根误差(Root-Mean-Square Error,RMSE)和平均绝对百分比误差(Mean Absolute Percentage Error,MAPE)分别降低了6.90~11.26%和7.28~12.95%,并且在不同预冷工况条件下,这四种开孔数模型(开孔数分别为2、4、6和9)用于预测温度的最大RMSE和MAPE值分别为1.858°C和18.29%,而用于预测预冷时间SECT值(7/8ths Cooling Time)的最大误差为19.23%,这些误差数据充分证明了该建模方法用于准确预测蜜桃预冷效果的可行性和可适用性。(2)深入研究了蜜桃内部热源的加载对其预冷效果评估的综合影响。将已通过试验验证的9孔包装模型作为模拟对象,并对其进行了0.2~2.7 m/s范围内不同预冷风速下的全面仿真与分析,结果发现:空气流入速率的进一步增大会削弱对蜜桃体积Tvwa和表面Tswa加权平均温度的影响以及对整体预冷均匀性(Overall Heterogeneity Index,OHI)评估的影响程度,特别是当送风速率超过1.7 m/s后,送风速率的提高对其OHI和SECT值以及果温监测值的影响幅度非常小,即影响幅度值分别低于0.2%、1分钟以及低于~0.1°C。由此可建议,当送风速率高于1.7 m/s后,蜜桃所产生的内部热源(主要涉及果实自身的呼吸热和蒸发潜热)可以直接忽略掉以降低建模复杂度,从而达到节省模拟计算成本的目的。(3)优化确定了蜜桃采后预冷处理的最佳送风参数范围以及合理的开孔设计参数。通过利用多维度预冷效果评估体系,深入分析了不同预冷策略和开孔参数对蜜桃预冷时间、OHI值、累计水分损失总量以及风机能耗的有效性影响,结果发现:送风速率的增大会改善果实的预冷均匀性,减小果实的冷藏转移时间以及SECT期间内的累计水分损失总量,但是当送风速率超过2.5 m/s后,送风速率不在显著影响SECT和OHI值,即变化幅度分别低于6.81分钟和6.57%。由此,为保证蜜桃快速均匀的预冷而不诱发过多的能量浪费,可推荐蜜桃预冷的最佳风速范围为1.5~2.5 m/s。对于送风温度而言,较低的送风温度会加重果实的冷害严重程度,但是当送风温度得到大幅度提升时,果实的呼吸速率却成倍增大,这非常不利于保持果实的商业食用价值以及提高果实在整个冷链物流中的经济效益。由此考虑各项预冷效果的综合评估,发现蜜桃采后预冷的最佳风温范围为2~4°C。此外,当通风孔的设计位置呈对称分布且开孔直径为20~40 mm时,用这四种开孔数模型进行预冷时的数据显示:开孔数的增大会提高蜜桃整体的预冷均匀性,但在开孔数超过6后其OHI值并不存在明显变化趋势,同时,开孔直径35 mm后的整体异质性指数OHI值显著低于20~30 mm,并呈稳定发展趋势。由此发现,用于蜜桃预冷的瓦楞通风包装箱开孔直径不宜超过35 mm,而其开孔数不宜超过6。(4)成功构建了基于GA-BP神经网络的蜜桃预冷效果预测模型。利用SPSS软件对影响蜜桃预冷效果的主要因素正交试验设计了25种不同的预冷工况条件,并将其应用于开孔数分别为2、4、6和9且已通过试验验证的CFD-WIHS数值模型中以获得100组样本数据。利用GA遗传算法与BP神经网络相结合的方式对该数据不断训练,以建立具有工程实用性的蜜桃采后预冷效果预测模型。该预测模型以送风风速、预冷空气温度、蜜桃初始温度以及开孔直径、开孔数为输入变量,以预冷时间SECT和整体预冷均匀OHI为输出变量,其相对应的预测相关性R2值分别为96.25%和86.38%。采用MATLAB软件所成功构建的预测模型为中小型果园实时监控蜜桃预冷效果以保持果实最佳预冷品质提供了可靠的实际操作价值,也为后续学者开发智能化决策系统提供了坚实的理论参考依据。
其他文献
我国梨总产量居世界首位,然而其商品价值因果形不佳,导致在全球高端贸易中的竞争力严重不足。‘玉露香梨’是近年来由我国育种学家培育的优异新品种,因品质优而受到消费者的青睐,但萼片宿存导致果实外观及内在品质下降。因此探索梨果萼片宿存或脱落机理对调控、改善果实品质有重要意义。在课题组前期对‘玉露香梨’萼片状态调控研究的基础上,本试验从生理生化、组织形态与转录组学等水平,探究了‘玉露香梨’萼片调控及其对果面
壶瓶枣作为山西的一种特色枣资源,富含多种活性成分,掌握果实发育和贮藏过程中的活性成分含量和抗氧化活性变化规律、挖掘新型活性成分、明确新型活性成分测定与提取工艺以及寻求适宜的贮藏保护方式对合理开发利用这些活性成分具有重要意义。本研究以不同发育时期壶瓶枣枣果为试验材料,首先采用广泛靶向代谢组学技术对其不同发育时期的活性成分种类、差异活性成分及密切相关代谢途径进行了分析;其次基于代谢组结果,筛选出了5种
河岸带植被在维持流域景观稳定性和生态安全方面发挥着重要作用,由于复杂的地形地貌和河水季节性变化等因素作用,河岸带植物群落呈现出明显的时间演替和空间梯度格局。其群落演替与林下土壤细菌群落组成及生物多样性表现出独特的动态过程和相互关系。揭示其植物群落演替的影响因素,特别是林下土壤细菌群落组成及生物多样性的驱动机制,对河岸带保护和生态功能恢复,改善河岸带植物群落及林下土壤微生境条件及生态功能具有重要指导
大规模的煤炭开采不仅对生态环境造成了严重影响,还对矿区的土地资源造成了破坏。对采煤塌陷区的土地进行复垦是保护耕地面积、缓解人地矛盾和维护粮食安全的主要途径。如何快速提高复垦土壤的肥力一直是研究者的主要任务。实验室之前的研究表明,采煤塌陷区土壤经工程复垦后,表层土壤中养分缺乏,尤其是磷的生物有效性低,磷素养分是影响复垦土壤恢复的限制因素;而解磷菌能够活化土壤中的难溶磷,促进植物对氮、磷的利用率,对矿
荞麦是一种营养种类全面、营养价值丰富的杂粮作物,在全球种植范围较广,而我国作为荞麦主产国,种植面积与产量都居世界前列。由于荞麦籽粒的成熟度不一致,下端籽粒成熟而上端仍在开花,而且成熟籽粒容易脱落,收获时茎秆含水率高,容易发生“绕辫子”现象,籽粒破碎率高、损失率大,使得荞麦机械化收获难度增大。我国绝大部分地区荞麦收获仍采用传统的人工收割、晾晒和脱粒,农民劳动强度大,荞麦收获质量差,只有少数地区采用分
入侵杂草喜旱莲子草Alternanthera philoxeroides,是原产南美洲的苋科(Amaranthaceae)莲子草属(Alternanthera)的宿根草本植物,目前广泛蔓延在北纬32度至南纬38度的湿润陆地上,造成严重经济及生态问题。莲草直胸跳甲Agasicles hygrophila(Coleoptera:Chrysomelidae),以下简称“跳甲”,是自南美引入、专食喜旱莲子
熏醅是山西老陈醋改善风味的独特技艺,通过对熏醅工艺进行深入研究,发现熏醅过程中温度梯度变化是山西老陈醋熏醅生香的关键因素,熏醅对山西老陈醋挥发性组分有显著的影响,是多种特有风味物质的重要来源。通过分析熏醅温度梯度变化条件下不同含水量和不同山楂添加量在熏醅过程中对美拉德反应产物的形成和积累的影响,为提升醋产品的安全性提供依据。最后,结合我国消费者偏爱谷物醋的消费习惯,以山西老陈醋工艺为基础,通过熏醅
农业智能化背景下,各种传感器和人工智能方法开始应用到农产品的采摘和检测中,应用最多的是图像识别技术和各种光谱技术。为实现甜瓜采摘的自动化,减轻人工采摘甜瓜的劳动强度,本文在分析前人研究现状的基础上,基于深度学习的卷积神经网络图像识别技术和近红外光谱技术研究了甜瓜采摘识别的关键技术和甜瓜的货架期模型。所开展的具体研究工作及得到的结论如下:1、在分析现阶段各种先进目标识别模型和框架的基础上,基于Dar
CO2是植物光合作用的主要原料,也是温室中影响植物生长的主要因素之一。将捕集的CO2作为气肥应用于设施生产中,依靠光合速率的提高,吸收转化更多的CO2形成有机物,是实现作物高产、优质的重要技术措施之一。番茄(Solanum Lycopersicon)属茄科番茄属,我国南北方均广泛栽培,是北方设施栽培面积最大的蔬菜作物。目前番茄基因组测序完成和基因注释信息的不断丰富为番茄和茄科其它蔬菜光合作用、糖类
酸枣(Ziziphus jujuba var.spinosa)在我国分布广泛,具有重要的经济价值和生态价值。随着我国果树野生种质资源研究热度的提高,酸枣蕴含的丰富基因库将为栽培枣育种工作的开展提供重要的遗传资源。但是目前我国酸枣资源的保护与利用形势不容乐观。对我国酸枣种质资源遗传多样性、遗传结构、种群动态等基本问题的研究将为酸枣保护及可持续开发利用奠定重要的科学依据。本研究利用生物信息学方法筛选酸