在埃塞俄比亚这样的展开中国度，收获时间与旱季相吻合，农民在田间自然地腌制洋葱鳞茎。现场固化通常比人工固化需求更长的时间，并且由于感染风险增加和不受控制的次优单调条件，招致更多的损失和鳞茎质量降落。大范围人工固化系统价钱昂贵，乡村地域的电能供给有限。采用CFD模型设计了一种替代和可持续的洋葱固化系统，该系统能够部署在乡村地域的田间。经过将预测的空气速度、温度和质量损失与在埃塞俄比亚一个油田运转的原型固化系统上的丈量值中止比较，考证了所开发的 CFD 模型。在腌制过程中，大块洋葱不同位置的温度时间曲线与实验值吻合良好，在28-47°C的温度范围内均方根误差为1.1°C，0.16 m s1在 0.1 至 2.5 m s 的速度范围内1，质量损失范围高达 6.35%，为 0.565%。开发的模型用于评价空气速度、温度和相对湿度散布，以便运用开发的替代固化系统深化了解洋葱鳞茎固化的平均性。在一切检查的固化持续时间中，80%多孔介质内的单调空气温度变更<3°C。 在其他20%的多孔介质中，察看到高达6°C的温度变更。因而，发现新设计和开发的固化系统能够平均地固化洋葱鳞茎。此外，经过实验评价其性能，并将洋葱固化至理想的固化水平，以便在48 h的总固化时间内长期贮存。为了进一步改进模型质量损失预测，思索灯泡收缩，特别是在颈部，这一点至关重要。

引见

在埃塞俄比亚，洋葱是小农和商业种植者消费的高价值鳞茎作物，由于它是埃塞俄比亚饮食中不可或缺的一部分（Abdissa et al.，2011）。在收获高峰期，由于采后处置不当，主要是由于缺乏加工和良好的贮存设备以及不当的固化理论，招致采后损失很高（Kasso and Bekele，2018）。例如，Aslam等人（2022）开发了一种用于最小加工洋葱的高效臭氧化处置系统，并且发现该开发系统可有效减少微生物对数。固化是洋葱鳞茎最重要的采后操作，应在收获后尽快中止，以减少贮存期间洋葱的采后腐朽（Eshel等人，2014）。固化经过密封鳞茎的切颈（这是破坏微生物的切入点）和单调外鳞片来进步洋葱鳞茎的采后性能，然后作为贮存期间水分流失的屏障（Nabi等人，2013）。

固化能够在现场中止，也能够在单调装置中中止人工固化。田间固化，通常也称为“风排”，包含收获成熟的鳞茎并将它们侧放在空中上单调1至2周（Gubb和MacTavish，2002）。在湿润的天气下，灯泡可能需求超越 3 周的时间才干抵达理想的固化水平。因而，胜利的堆垦取决于天气，不能用于大范围的商业消费。在田间自然固化的洋葱球茎在贮存过程中可能会呈现更高水平的腐朽。与湿润空中接触的灯泡侧面会产生棕色应变，这会降低灯泡的外观质量和价值（Wright等人，2001）。此外，在田间固化过程中，灯泡容易遭到啮齿动物和昆虫以及意外降雨构成的损坏。

洋葱是经过在昼夜和昼夜将加热的单调空气吹过收获的鳞茎名义来人工固化的。在这种措施中，固化可能需求1到14天，细致取决于单调空气的温度和相对湿度。在恒定相对湿度下进步单调空气的固化温度招致固化持续时间缩短，而在恒定温度下增加相对湿度招致固化时间增加。这是能够预料的，由于单调空气去除水分的才干随着空气温度的升高和空气相对湿度的降低而增加（Zewdie等人，2019）。固然人工固化更昂贵，但它最大限度地减少了皮肤染色和真菌攻击，从而进步了鳞茎的质量、商业价值和皮肤外观（Wright 等人，2001 年;古布和麦克塔维什，2002 年）。人工腌制技术价钱昂贵，关于埃塞俄比亚等展开中国度的农民和小范围洋葱消费者来说担负不起。因而，为农民和小范围消费者开发一种替代的、可持续的和担负得起的固化系统至关重要。各种研讨表明，太阳能单调机是有效的，可用于单调农产品（Anyanwu等人，2012;郝等人，2018）。

在之前的一项研讨中，开发了单个洋葱球固化过程的传热和传质模型，以评价固化条件对设定固化规范的影响。结果表明，完成长期贮存洋葱的理想固化水平取决于固化过程条件（固化相对湿度和持续时间）（Zewdie 等人，2022 年）。因而，为了取得平均的固化，设计和建造具有恰当气流、温度和相对湿度的太阳能单调机至关重要，这些单调机在整个单调室中具有足够平均的气流。计算流体动力学 （CFD） 已胜利应用于设计和开发用于单调农产品的太阳能单调机（Benhamza 等人，2021 年;查万等人，2021 年）。但是，为单调其他农产品而设计和开发的太阳能系统不能直接用于腌制洋葱，由于与其他水果和蔬菜的单调不同，固化的目的是去除外部几个鳞片中的水分，同时坚持内部鳞片的高水分含量。据我们所知，CFD模仿尚未用于设计和开发洋葱固化系统。

在本研讨中，采用瞬态CFD建模来模仿大部分洋葱的传热和传质，目的是设计和开发替代和可持续的洋葱腌制系统。然后运用依据CFD仿真结果构建的原型固化系统中取得的实验数据考证模型结果。经过实验评价了设计和建造的太阳能固化系统的性能。

资料和措施

物理模型的描画

中止了初步的CFD仿真，以提出单调机的最终设计（参见CFD模仿部分）。在初步的CFD仿真中，思索了风机位置、单调室下方的增压室结构、搜集器的高度、单调室的尺寸以及增压室结构的角度。洋葱球被建模为厚度为0.3 m的多孔介质。单调机由三个主要部分组成：（i）面积为2 m的太阳能集热器2，（ii）单调室（1米×1米×0.73厘米）和（iii）风扇。单调室顶部有一个通风口，用作烟囱出口，并在搜集器部分的启齿处提供了一个入口通风口。用于单调的空气在经过平板太阳能集热器时被加热，然后将热单调空气引入增压室通道底部的单调室。单调的空气部分冷却，由于它去除了洋葱球茎中的水分。经过运用位于单调室顶部的风扇完成强迫空气循环。最终太阳能单调机设计的三维几何配置表示图如图1所示。

图1

图1.太阳能单调机几何外形的计算域（对称平面）（尺寸以m为单位），能够固化150公斤洋葱。风扇位于速度出口处，从衔接到搜集单元的倾斜增压室吸入加热空气经过单调室。

模型方程和边疆条件

固化系统中的湍流气流由规范雷诺平均纳维-斯托克斯方程建模，并配有能量和水分传输方程。由于温度和空气湿度范围相对较小，因而假定空气特性（密度、粘度、导热系数和比热）恒定。运用了自然对流的Boussinesq近似和雷诺应力和通量的涡流粘度近似。

以下一组方程控制了堆放在单调室中的大量洋葱的活动和能量转移，单调室将其建模为多孔介质（Verboven等人，2006）。在这种措施中，守恒方程在体积几何上积分，这招致额外的闭包项来描画灯泡和空气之间的动量，热量和质量传送（Verboven等人，2006）。简化的质量守恒方程如下：

v=0 (1)·v=0 (1)

动量方程为：

(ερfv)t+ (ερfvv)=εP+ε(μ(v+vT)) (ρfv′v′)+ερfg+Sm (2)(ερfv)t+· (ερfvv)=εP+·ε(μ(v+vT)) · (ρfv′v′)+ερfg+Sm (2)

with v′ the fluctuating velocity component (m s1) and ρfv′v′ρfv′v′ the Reynold stress tensor. The Reynold stress tensor in Equation (2) is expressd as:

ρfv′v′=μt[(v+vT)23δ(ρfk+μtv)] (3)ρfv′v′=μt[(v+vT)23δ(ρfk+μt·v)] (3)

多孔介质动量源项被添加到规范流体活动方程中，以解释体体的气流阻力。电阻项由两部分组成：粘性损耗项和惯性损耗项：

Sm=[μαvi+C12 ρ f|v|vi] (4)Sm=-[μαvi+C12 ρ f|v|vi] (4)

α渗透率（m2）和C内阻系数（m1).公式（4）右侧的第一项和第二项分别是粘性损耗项和惯性损耗项。Ergun方程可用于估量渗透率和内阻（Ergun，1952）。渗透率和内阻在本工作中经过实验肯定。肯定这些系数的过程在洋葱散装压降一节中有细致阐明。

能量守恒方程分别求解流体（空气）和固体（洋葱）区域。流体区的守恒方程为：

t(ερfCp,fT)+(v(ρfCp,fT+P))=(ελfT) (ερfCp,fv′T′)+hAs(TsTf) (5)t(ερfCp,fT)+·(v(ρfCp,fT+P))=·(ελfT) ·(ερfCp,fv′T′)+hAs(TsTf) (5)

固体区的守恒能方程为：

t((1ε)ρsCp,sT)=((1ε)λsT)+hAs(TfTs) +Se (6)t((1-ε)ρsCp,sT)=·((1-ε)λsT)+hAs(Tf-Ts) +Se (6)

哪里v′T′v′T′是特定的雷诺通量项和Se是固化过程中水分蒸发惹起的能量源项（W m3).此源项依据以下公式计算：

Se=mwhfg (7)Se=-mwhfg (7)

水蒸气浓度C一个（公斤米3） 被视为标量属性，并运用以下传输方程独立建模：

(εCa)t+(εvCa)=(ερfDw)(ερfv′w′) +Sw (8)(εCa)t+·(εvCa)=·(ερfDw)·(ερfv′w′) +Sw (8)

其中w是水分比（每公斤单调空气的公斤水蒸气）和v′w′v′w′是特定的雷诺通量项。Sw是水分来源项（kg m3 s1），由以下等式取得：

Sw=mw=Ashm(CeCa) (9)Sw=mw=Ashm(Ce-Ca) (9)

洋葱的水蒸气浓度和空气的水蒸气浓度分别由公式（10）和（11）给出：

Ce=MwPsatawRT (10)Ce=MwPsatawRT (10)

Ca=MwPsatRHRT (11)Ca=MwPsatRHRT (11)

公式（9）中的总体传质系数由皮肤和外部传质系数组成，运用以下公式取得（Zewdie等人，2022）：

1hm=1hs+1hm,s (12)1hm=1hs+1hm,s (12)

与hs和h米，秒是皮肤传质系数和名义传质系数（m s1），分别。众所周知，灯泡固化过程中的皮肤传质系数受其水分含量的影响。因而，在本研讨中，运用了可变的皮肤传质系数。公式（12）适用于经过皮肤的线性水分梯度，从名义浓度Cs到内部灯泡浓度Ce.h 的估量值s是皮肤平均水分含量的函数：

C s=Ce+Cs2 (13)Cs=Ce+Cs2 (13)

hs=f(C s) (14)hs=f(Cs) (14)

将对流通量与皮肤通量相等，得出洋葱球C未知地表水蒸气浓度的公式s:

Cs=hsCe+hm,sCahs+hm,s (15)Cs=hsCe+hm,sCahs+hm,s (15)

在我们之前的工作中，我们开发了一种与水分相关的皮肤扩散系数（公式16），其中hs能够运用表皮厚度（0.37±0.03毫米）简单地计算。

Deff=2.36×1011exp( 0.54/X ) (16)Deff=2.36×1011exp( 0.54/X ) (16)

hs=DeffLs (17)hs=DeffLs (17)

h 的值米，秒是依据堆叠球体的努塞尔相关性和刘易斯类比计算得出的。关于h 计算的细致信息米， 秒能够在Zewdie 等人 （2022） 中找到。因而，外部和皮肤传质系数的相对重要性能够运用从皮肤水分含量高到低的传质Biot数剖析来评价。hs为 106-104和 1013-1019倍数低于h米， 秒，分别表示高含水量和低含水量。因而，从洋葱球茎到单调空气的水分传送速率主要由皮肤传质系数控制，这意味着能够假定鳞茎的名义水蒸气浓度等于空气的水蒸气浓度。因而，等式（15）变为：

Cs C一个

等式（9）和（14）改写如下：

Sw=mw=Ashs(CeCa) (18)Sw=mw=Ashs(Ce-Ca) (18)

hs=f(Ce+Ca2) (19)hs=f(Ce+Ca2) (19)

未知函数f 将皮肤传质系数与水蒸气浓度相关联，是经过计算我们之前工作（Zewdie 等人，2022 年）中各种水蒸气浓度下的水分依赖性有效水分扩散率的皮肤渗透性来肯定的，然后经过运用 Matlab 曲线拟合工具箱（MathWorks， 公司，美国马萨诸塞州内蒂克）。以下皮肤渗透性作为水蒸气浓度函数的指数表示提供了十分好的拟合：

hs=aexp(bC s) (20)hs=aexp(bCs) (20)

参数列于表 1 中。运用误差平方估量值（SSE）和均方根误差（RMSE）的总和评价数据与模型估量值之间的差别。SSE依据以下公式计算：

SSE=∑i=1n(iYi)2 (21)SSE=∑i=1n(i-Yi)2 (21)

表1

表 1.洋葱球皮肤通透性的估量参数和统计结果。

其中Y i^ 和Y分别是变量的实践值和预测值。YiYi^我

湍流模型

雷诺平均纳维-斯托克斯方程（RANS）用于经过对纳维-斯托克斯方程中止时间平均来模仿湍流。湍流模型和雷诺平均纳维-斯托克斯方程由湍流粘度、电导率和扩散率耦合。关于闭合，能够运用几种湍流模型，例如k-ε 模型。固然k-ε湍流模型是一个普遍运用的模型，但它有一定的缺陷，特别是在应用于复杂活动时。因而，在多个CFD代码中开发并实施了几种替代湍流模型。SST模型（剪切应力传送）是这些模型中最有出路的（Menter，1994）。SST模型在处置大多数大型湍流建模时比其他RANS模型更受欢送并被普遍运用，由于它能够精确混合边疆或壁区域左近和远离的活动（Defraeye等人，2013;阿贾尼等人，2021 年）。k-ε和k-ω模型的优点在该模型中得到了分离（Wilkening等人，2008）。SST模型能够牢靠地估量壁左近和自由活动的流中的流量。它采用逐步混合两种模型的功用。因而，SST湍流模型被用于当前的研讨。

固体壁左近的活动产生了复杂的湍流边疆层。该模型运用增强的壁函数来精确预测边疆层中研讨的参数。壁函数在靠近壁的中央中止了很好的细化，以便第一个节点位于粘性子层内。y值定义为与壁的无量纲距离，用于判别粘性子层能否被解析。由于本研讨运用了SST湍流模型，因而需求小于1的y值才干正确细化边疆层中的网格。++

初始条件和边疆条件

为了求解控制方程，运用了相关的初始和边疆条件。关于太阳能单调机的入口，设置了零表压条件下的压力入口，单调空气以3.5 m s的速度分开太阳能单调机。1.该速度基于运用热线风速计（testo 405i，量程0-30，精度±0.05 m s1，德图，特尔纳特，比利时），并且由于风扇由太阳能电池供电，因而被以为在整个单调过程中坚持不变。经过运用温度相对湿度数据记载仪（HOBO UX100-011 temp/RH 记载仪，范围 20-70°C 和 10-90% RH，精度± 0.21°C 和 ± 2.5% RH，美国伯恩）每小时丈量一次，从而获无暇气的入口温度和相对湿度。太阳辐射强度也运用照度计（LX1330B数字照度照度计，精度±4%，范围0-200，000，美国米特博士）丈量。入口温度、空气的相对湿度剖面和太阳辐射强度在弥补资料B中列出。

太阳能集热器被建模为具有可变热通量的墙壁，基于从上午7点到下午6点的入射太阳辐射的每小时丈量，总单调时间为3天。在整个单调期间，入口温度、空气的相对湿度（水蒸气浓度）和太阳辐射强度每小时变更一次。思索了流体周围的实心壁的无滑移条件。细致的初始和边疆条件以及其他模型参数列于表 2 中。

表2

表 2.模型参数;边疆和初始条件。

洋葱散装压降

为了肯定洋葱散装的气流阻力，运用了如图2所示的风洞。依据Vanierschot等人（2013）丈量<风洞的湍流强度为0.1%。对0.5至2.5 m s的空气速度中止了压降丈量1由于这个范围确保了大多数对流食品单调中运用的空气速度的掩盖（Veli等人，2004）。此外，该范围合适单调机的工作条件。压降实验设备包含长1.5米的实验室，矩形内部横截面尺寸为0.4米×0.26米。测试部分的设计允许经过在0.9米的长度上每0.1米构成狭缝来丈量不同大小的洋葱层上的压降。由于经过洋葱床的气流阻力取决于填充深度和气流速率，因而对不同厚度的洋葱层中止了压降实验（Gomathy 等人，2019 年）。洋葱被放置在不同层厚度的测试室中间。运用具有大启齿面积的薄金属板，以尽量减少其对丈量的压降特性的影响，以将洋葱固定到位。测试室入口处的空气速度由空气速度计（testo 480，范围0–30±0.1 m s）丈量1，德图，特尔纳特，比利时）。在模型的一切计算中运用了名义速度。为了丈量洋葱层的压降，运用了德图气候丈量仪（testo 480，德图，特尔纳特，比利时），压差范围为-100至100 hPa，精度为±0.2 hPa。压降丈量值是经过记载洋葱堆入口和出口处的压力取得的，如图2A所示。洋葱堆叠时要当心，以避免在测试室壁左近构成开阔的空间（图2B）。关于每个批次，中止了三次复制，以尽量减少填充的影响。

图2

图2.（一）压降丈量实验装置的表示图：（1）离心风机，（2）风洞调理单元，（3）气流速度丈量，（4）丈量部分和（5）数据记载器。A 和 B 是压力抽头（尺寸以 m 为单位）。（二）测试室长0.3米，装满了大量的洋葱球茎。

啮合

计算域掩盖了单调器的一半，运用对称平面来进步计算效率，如图1 所示。该域由四面体单元运用非结构化三维网格离散化，固体-空气界面区域除外。在该区域，增加了一个通货收缩层。解域运用不同的元素大小中止离散化。对六种不同的网格尺寸中止网格灵活度测试。监测了一切目数的多孔域对称平面压降和平均温度。依据网格灵活度研讨，具有超越三百万个元素的网格的压降和平均温度基原形似（见弥补资料E）。该模型运用增强壁函数来精确预测粘性子层中研讨的参数。依据SST湍流模型对增强壁函数的请求，计算出的y值<1。当网格单元大于 700 万个单元时，计算出的y值小于 1。因而，选择包含7，0131，276个单元的网格中止仿真剖析。++

模仿细节

数值仿真运用CFD软件ANSYS CFX 2020R2（Fluent公司，黎巴嫩，美国）中止。动量、能量和水分输运控制方程采用二阶逆向欧拉法离散化，并采用有限体积法数值求解。选择了双精度求解器。该计算是运用奔跑IV，3.21 GHz Windows 10工作站和128 GB RAM执行的。采用以下措施中止仿真：首先对单调风速中止稳态仿真。其次，以稳态模仿结果为初始条件，对单调空气温度散布中止了3 d的瞬态模仿;时间独立研讨是经过选择三个不同的时间步长（120、240 和 480 秒）中止的。120和240 s的时间步长之间没有显着差别（见弥补资料F）。因而，瞬态仿真采用240 s的时间步长，以最大限度地降低计算成本。10 的趋同规范6为了坚持连续性，运用了动量、湍流、能量和水分输运方程。

模型考证

经过将预测的温度、速度和质量损失与基于 CFD 设计的原型单调机中的丈量值中止比较，考证了开发的模型。基于图3所示的CFD设计仿真输出，在埃塞俄比亚Bahir Dar理工学院（北纬11.5983°，西经37.3977°，1，800米）的机械车间制造了负载才干为150公斤洋葱的太阳能单调机。在单调室中心的六个不同位置丈量装载的太阳能单调机的风速。丈量运用热线风速计（testo 405i，范围0-30，精度±0.05米秒）中止1，德图，特尔纳特，比利时）从单调机底部上方 0.05 m 开端，沿单调室高度以 0.15 m 的距离。

图3

图3.基于CFD设计和建造的用于固化洋葱球茎的太阳能单调机：（1）搜集器，（2）单调室;（3）风扇;（4）太阳能电池，（5）太阳能电池板。

运用温度/相对湿度数据记载仪（HOBO UX100-011 temp/RH 记载仪，范围 20–70°C 和 10% 至 90% RH，精度± 0.21°C 和 ±2.5% RH，美国伯恩）每隔 1 小时在单调室中心丈量一次负载单调机的空气温度。丈量值沿单调室长度以0.15 m的距离取得，从单调器底部上方0.05 m开端。沿着单调室的高度，丈量值记载在三个不同的位置，从距单调室壁0.1 m开端，距离0.4 m。

经过在整个72小时固化期间（仅在白天）每2小时称量一次固化前称量5个灯泡，然后在固化后每隔2小时称量一次质量损失来肯定质量损失，结果讲演为质量损失百分比。它是运用PA系列剖析天平（美国弗农山的Cole-Parmer）中止的。此外，在固化前和固化终了时72小时后丈量整个灯泡的质量损失。

运用均方根误差（RMSE）定量评价模型预测的精确性。实验数据和数值结果之间的RMSE运用公式（22）中止评价：

RMSE=1n∑i=1n(YsimiYobsi)2 (22)RMSE=1n∑i=1n(Yisim-Yiobs)2 (22)

其中 Y i s i m 是 i 观测值的模型预测值，Yiobs是相应的实验观测值，n是观测值的总数。YsimiYisim千YobsiYiobs

太阳能烘干机性能评价

搜集器效率

间接太阳能单调机的性能取决于其集热器的整体效率和有用功率。搜集器效率ηu定义为单调空气的热增益与吸收器名义太阳能的入射之比，由以下公式计算：

ηc=QuAcI (23)ηc=QuAcI (23)

与Ac搜集器的面积 （m2），Qu单调空气的有用能量增益（W），I为太阳能的发作率（W m2).问u可由以下公式肯定：

Qu=m˙aCp,a(ToTi) (24)Qu=m˙aCp,a(To-Ti) (24)

单调机效率

单调效率是指蒸发产品内部水分所需的热量。它表示为从洋葱球中去除水分所需的能量与供给给单调机的总能量的比率，并写成以下等式：

ηd=MwhfgAcI (25)ηd=MwhfgAcI (25)

与Mw是从样品中去除的水分，单位为千克。

固化

在埃塞俄比亚西北部灌溉的2021年旱季种植的洋葱种类“孟买红”被用作实验作物。种植地点特别位于北纬11°53′，东经37°31′，海拔1，830米。在第2阶段的成熟阶段手工收获鳞茎，当时60-80%的叶片塌陷。每个鳞茎的枝条在固化前从颈部开端25毫米的长度。最后，分别采用太阳能单调机和田间固化法将洋葱球茎固化3天和7天。在田间固化的状况下，洋葱鳞茎经过在35厘米高的空中上起球来固化。两种固化措施每2 h丈量一次质量损失和颈部水分含量。颈部水分含量是经过在剖析天平（PA-107系列，Cole-Parmer，重复性≤0.1 mg，美国弗农山）上称量，在烘箱中固化并在105°C的温度下单调直至抵达恒定质量后经过实验测定的（AOAC，2005）。

结果和讨论

差价合约模仿

采用稳态初步CFD仿真来肯定太阳能单调机的最终设计和尺寸。为此，采取了逐步的措施。首先，经过CFD建模优化单调室下方的增压室外形，以确保沿增压室长度平均供给气流和传热速率。在洋葱体积下方添加具有狭窄通道的增压结构，招致洋葱球上单调空气的空气流速散布和传热速率更平均。然后，执行CFD仿真以肯定最适合的风扇位置和搜集器的高度。吸风机配置和 3 cm 高的搜集器部分招致搜集器以及单调室内的速度和温度散布平均。基于初步CFD仿真取得的太阳能单调机的最终设计（图1）用于态CFD仿真（见以下部分）以及最终的原型构建和评价。弥补资料A细致讨论了肯定太阳能单调机最终设计和尺寸的初步CFD仿真结果。

运用稳态CFD仿真取得洋葱固化系统的最终设计后，采用瞬态CFD仿真来评价速度、温度和相对湿度散布，并预测固化过程中洋葱的质量损失。因而，在以下小节中，将引见从最终设计的CFD仿真中取得的结果，以细致评价太阳能单调器内部的速度，温度和RH散布，然后深化了解洋葱球固化的平均性。此外，将测得的速度、温度和相对湿度曲线与相应的计算值中止比较。

气流散布

气流速度等值线如图4A所示。很明显，空气在经过洋葱层下方的狭窄通道之前平稳而平均地经过搜集器。图4B显现了装载的单调机在单调器中间部分对称平面上的速度等值线。从速度散布的等值线图中能够看出，在搜集器、增压室和单调机出口（烟囱单元）周围察看到的最高速度。

图4

图4.负载太阳能单调机优化设计中预测速度散布的轮廓：（A）从入口到增压室经过集热器中间的水平轮廓，（B）单调器对称平面上的垂直轮廓。

为了进一步定量评价单调室内单调空气的速度散布，图5绘制了沿对称平面上装载的单调室高度的预测和实验丈量的速度散布。洋葱球下的单调空气速度很高，等于2.25 m s1.空气的速度大小从2.25米急剧降落到0.18米秒1当它从增压室进入洋葱域时。这是由于单调空气的活动方向从水平轴到垂直轴的变更，以及横截流面积从增压室的小到散装的大的相应变更。气流以平均的低速分开散装，然后由于横截面的变更而再次加速流向单调机出口周围的风扇烟囱。通常，单调室内的单调空气速度在0.11和3.5 m s之间变更1.多孔介质内的单调空气速度十分低，在0.10-0.15 m s的范围内1.多孔介质底部的高速无法避免，由于它靠近变窄的通道，最高速度为2.2 m s1.单调空气的最高速度为3.4米秒1是在风扇所在的烘干机出口处取得的。普通而言，在太阳能单调机的本设计中完成了单调空气在感兴味区域（即多孔介质和搜集器）中平均的速度散布，如图4，5所示。

图5

图5.单调室中的风速散布，沿装载的太阳能单调器的高度，距离正面 0.5 m。实线和符号分别表示预测和丈量的速度曲线（误差线为规范误差，n= 3）。阴影区域表示洋葱散装层的面积。

为了中止实验考证，将计算出的速度曲线与丈量值一同绘制。图5显现，沿单调室高度的模仿速度散布与丈量的速度散布遵照相同的趋向。实验观测和预测的速度散布十分吻合。统计剖析结果表明，预测的CFD与实验得到的气流速度具有良好的相关性。单调空气速度的RMSE值较低，这一事实证明了这一点（表3）。

表3

表 3.质量损失、速度和温度曲线的均方根误差百分比。

温度和相对湿度散布

整个单调机的单调空气温度散布在对称平面上，搜集器的温度散布在水平平面（X-Z平面）上，如图6所示。由于搜集器吸收的热量被传送到空气中，因而空气的温度在从入口传送到搜集器的末端时升高，如搜集器的温度等值线图所示（见图6A）。为了使单调室内空气的温度散布平均，单调室入口处（搜集器末端）沿搜集器的宽度和高度的空气温度应平均。但是，与沿集热器宽度的温度曲线相比，沿集热器高度的空气温度略有变更。在搜集器单元中，与透明盖左近的温度相比，搜集器底部的空气温度更高。

图6

图6.下午1：00经过的太阳能单调机中空气的预测温度剖面的轮廓，（A）从入口到增压室经过搜集器中间的水平剖面，（B）单调器对称平面上的垂直剖面。

与单调室内空气的速度散布相比，温度散布沿单调室长度的变更略大（图6B）。单调室中心和背面的空气温度略高于单调室正面的温度。为了进一步定量评价单调室全天单调温度散布的平均性，沿单调室的长度和高度绘制了早晨、中午和下午的空气温度（图7）。在一切研讨的固化时间中，沿单调室长度在距多孔介质底部0.15 m处预测的单调空气温度曲线遵照与图7B所示相同的趋向。单调空气温度沿单调室的长度升高至0.5m或中心，然后在单调室的其他部分坚持温度简直恒定，然后由于经过壁的热量损失而在单调室的后侧壁左近发作小降落。下午1：00分别在单调室的中心和正面左近察看到最高和最低的空气温度。沿单调室长度的最大空气温度变更为6°C。 预测温度曲线的这种变更主要是由于沿搜集器高度的温度变更。从温度等值线图中能够看出，空气的温度相对较高，在单调室入口处靠近搜集器的底部，由增压室指示移动到单调室的中心和背面。并且，靠近搜集器顶部的空气，温度相对较低，移动到单调室的正面（图6B）。

图7

图7.预测的太阳能单调机洋葱散装层内的空气温度随一天中的时间，（A）沿本体层中间高度处的长度，（B）沿本体层中心的高度。

与沿单调室长度的预测空气温度散布不同，关于不同的固化时间，沿单调器高度的温度散布遵照不同的趋向（图7B）。早上，空气温度首先从单调室底部线性降落到0.35米的高度，然后在单调室的其他部分坚持恒定。因而，在多孔域中察看到空气温度的变更。这是由于单调空气在从单调机底部移动到顶部时被洋葱冷却。由于随着固化过程的中止，洋葱球的温度变更越来越小，因而在下午 1：00 时，沿单调室高度的空气温度散布平均或十分小（低于 1°C）。与早晨的空气温度曲线相反，下午（下午4：00）的单调空气温度从单调室的底部线性增加到0.3 m的高度。缘由是空气在经过洋葱球茎从单调室的底部移动到顶部时被加热，由于在固化后期（下午）空气温度低于洋葱球茎。无论固化时间如何，多孔域上方的温度散布都是平均的。沿单调室高度的最大温度变更为4.5°C。

图8A，B分别比较了在对称平面上沿多孔介质长度的三个点和沿高度的三个点搜集的8 h固化时间的空气温度实验值与CFD剖析提取的相应结果。沿单调室长度和高度的单调空气温度升高，直到中午，然后在搜集温度数据的一切位置降落。在沿单调器高度的温度曲线的状况下，多孔介质顶部的空气温度在固化的早期阶段最高。但是，由于在固化后期洋葱球吸收的热量释放到空气中，多孔介质底部的空气温度最高，顶部的空气温度最低。如图8所示，在模仿结果中，在8 h的总固化持续时间内，沿多孔介质长度和高度的空气温度趋向得到了很好的捕获。CFD模型稍微低估了大多数固化期的空气温度，特别是从晚上11：00到下午2：00。这可能是由于单调室壁被漆成黑色而额外吸收热量。总体而言，在8小时固化期间，实验丈量的5个不同点的空气温度与相应的模仿结果具有良好的相似性（图8A，B）。经过统计剖析进一步证明了实验值与预测值之间的良好分歧性。温度的RMSE在1.1至0.85之间变更（表3）。因而，察看到模仿值和实验值之间存在良好的相关性。

图8

图8.考证在固化8 h期间太阳能单调机洋葱块内不同位置的预测温度曲线：（A）在块体中间高度沿对称平面长度的3个位置，（B）沿块状层中心高度的3个位置。

总体而言，关于沿单调室长度和高度的一切研讨固化时间，80%的多孔介质（洋葱球）的单调空气温度变更分别低于3和2°C。但是，在剩余的20%的多孔结构域中检测到高达6°C的温差，特别是在单调室的正面左近。因而，必须确保位于单调室正面左近的洋葱球平均固化。在我们之前的研讨中，评价了固化温度和相对湿度对不同质量属性的影响（Zewdie 等人，2019 年）。结果表明，高达10°C的单调温差对一切质量属性没有显著影响。此外，还开发了一种耦合传热和传质模型，用于优化固化过程以及评价固化参数对理想固化水平的影响（Zewdie 等人，2022 年）。从这项研讨的结果来看，相对湿度比温度具有更显着的影响。因而，沿单调室长度和高度的相对湿度散布如图9所示绘制。单调空气相对湿度的最高变更高达7%是在下午4：00沿单调室的长度取得的。依据Zewdie等人（2019）的说法，低于10%的空气相对湿度差对一切设定的目的固化规范没有显着影响，这些规范评价洋葱鳞茎能否足够固化，能够长期贮存，质量损失能否最小。由于太阳能单调机的当前设计在一切研讨的固化时间内最大相对湿度变更均低于10%，因而单调空气的温度和相对湿度散布足够平均，能够运用这种单调机设计固化洋葱球茎以中止长期贮存。弥补资料C中显现了整个固化持续时间（3 d）中三个不同位置的温度和相对湿度散布，包含夜间的轮廓。此外，在72小时昼夜固化期间，单调空气和洋葱散装位置中间的温度显现在弥补资料D中。

图9

图9.预测太阳能单调机洋葱散装层中空气的相对湿度随一天中的时间（A）沿本体层中间高度的长度，（B）沿本体层中心高度的长度。

固化

由于洋葱是按质量出卖的，因而在我们之前对单个洋葱球的传热和传质建模研讨中，质量损失被设定为固化规范之一（Zewdie 等人，2022 年）。因而，将CFD模型的质量损失结果与相应的实验结果中止了比较。图10显现了在总固化时间为3天的整个块料的模仿和实验丈量的质量损失的比较。预测和实验质量损失值之间存在显著差别。但是，CFD模型很好地捕获了质量损失趋向，特别是在固化的前10小时之后。在3 d的固化期内，丈量和模仿的平均质量损失分别为4.82%和3.04%。这可能主要是由于没有思索灯泡颈部的质量损失，由于质量损失模型只思索了灯泡经过外部尺度的水损失。运用先前研讨中为单个洋葱灯泡的传热和传质开发的模型证明了灯泡颈部的庞大质量损失贡献（Zewdie 等人，2022 年）。察看到从灯泡颈部去除了大量的水分。缘由是与灯泡的其他部分相比，颈部具有较高的初始水分含量和较低的固化过程中对水分流失的抵御力（Zewdie 等人，2022 年）。

图10

图 10.与实验数据相比，固化总持续时间为3天的整个洋葱球茎的预测质量损失。实线和虚线分别表示预测的质量损失，分别思索和不思索颈部的质量损失。符号表示丈量的质量损失（误差线是规范误差，n= 5）。

为了改进CFD模型的质量损失预测，在水源方程中参与了一个附加项（公式9）。这个额外的源项是灯泡颈部的水分转移，它表示如下等式：

Sw，n=K(Ce.nC一个) (26)Sw,n=K(Ce.n-Ca) (26)

其中K（s1）是一个单调速率常数，是依据我们之前关于颈部水分比作为固化时间函数的结果肯定的。Ce， n是颈部的均衡水蒸气浓度（kg m3），由水分吸附等温线肯定（Zewdie 等人，2022 年）。最后，运用CFD模型经过添加灯泡和颈部的质量损失来估量多孔介质的总质量损失。颈部和灯泡的体积在质量损失估量中独立思索，如下式所示：

Mt=MbVb+MnVn (27)Mt=Mb·Vb+Mn·Vn (27)

其中Mt，米b和Mn分别是总质量损失、灯泡质量损失和颈部质量损失，单位为 %。五b和Vn分别是灯泡和颈部的体积比。

经过单独思索颈部的质量损失，运用CFD模型的质量损失预测得到了显着改善，如图10所示。因而，在不思索颈部质量损失的状况下，实验和模仿质量损失与模型预测结果相比，取得了良好的分歧性。统计剖析的结果进一步证明了这一点，如表3所示。当单独思索颈部质量损失时，RMSE为0.565，而不思索颈部质量损失时，RMSE为1.736。固然质量损失预测有所改进，但该模型依旧稍微高估了固化后期的质量损失，这主要是由于颈部收缩，这在当前模型中没有思索，在该模型中，颈部的体积在整个固化过程中坚持不变。但是，在我们之前对固化过程的实验研讨中，察看到颈部体积大幅减少（Zewdie 等人，2019 年）。

太阳能烘干机性能评价

最后，经过计算有效热功率、集热器和单调机效率，评价了所构建的太阳能单调机用于腌制洋葱的性能。此外，经过实验测定运用太阳能单调机固化3天的灯泡的颈部水分含量和质量损失来评价其性能，然后将其与在田间自然固化7天的灯泡中止比较。

太阳能单调机的热性能除了取决于单调装置中空气的蒸发功率外，还取决于集热器效率。图11A显现了集热效率和有用热功率的评价。太阳能集热器的性能在太阳正午抵达最大值。最大搜集器效率为37%，与Mehdipour和Ghaffari（2021）相当。但是，效率高于Dissa等人（2011）取得的效率。

图11

图 11.（一）太阳能单调装置的瞬时集热器效率和有用热功率的每日变更和（B）太阳能单调机单调效率随时间的变更，总固化时间为3天。

如图11B所示，结构单调机的单调效率从17.2%到3.2%不等。在第3天察看到最低的单调效率，由于洋葱鳞茎在固化的后期构成了更好的屏障，避免水分流失。由于尚未尽作者所知中止有关运用太阳能单调机固化洋葱的研讨，因而将开发的太阳能单调机的效率与用于单调其他水果和蔬菜的太阳能单调机中止了比较。与为单调其他水果和蔬菜而开发的太阳能染料相比，目前工作的单调效率较低（Mintsa Do Ango 等人，2013 年;谭等人，2022 年）。这是由于，与其他水果和蔬菜相比，洋葱鳞茎的水分去除率十分低，由于在固化过程中仅从颈部，外部几个鳞片和鳞茎根部去除多余的水分（Maw和Mullinix，2005）。换句话说，与其他水果和蔬菜相比，由于不同层之间没有衔接，因而在固化过程中没有从鳞茎内部鳞片中去除水分。

在我们之前的工作中，我们优化了固化过程以肯定何时中止固化，以限制质量损失，同时经过密封鳞茎的颈部并树立良好的防潮层来坚持良好的收获后性能（Zewdie 等人，2022 年）。设定了三个具有目的值的固化规范：质量损失低于7%，颈部水分含量低于0.15（十进制，w.b.），外垢的有效水分扩散率小于3×1013 m2 s1用于优化（Zewdie 等人，2022 年）。从固化过程优化的结果来看，当抵达质量损失和颈部水分含量的目的值时，无论收获阶段和灯泡大小如何，都能同时完成有效水分扩散率的目的设定（Zewdie 等人，2022 年）。因而，在本工作中，仅运用质量损失和颈部水分含量来肯定运用开发的太阳能单调器充沛固化洋葱球需求多长时间。颈部水分含量被提议作为第二个固化规范，由于颈部水分含量应降至较低水平，直到用作糜烂微生物入口点的球茎颈部被密封。48小时的总固化持续时间足以抵达质量损失和颈部水分含量的设定目的值，或者运用开发的太阳能单调器正确固化洋葱球茎以中止长期贮存（图12A）。与运用太阳能单调机固化的洋葱相似，经过田间固化技术固化总持续时间为7 d的洋葱的质量损失和颈部水分含量绘制在同一张图上，如图12B所示。运用间固化措施正确固化洋葱鳞茎需求7天以上。因而，与田间固化相比，开发的太阳能单调机将单调时间缩短了 5 天以上。此外，与现场固化相比，运用太阳能单调机固化：（i）招致更好的固化平均性，（ii）避免灯泡直接裸露在烈日下而被阳光烫伤的产品，（iii）避免昆虫和啮齿动物损坏的风险，以及（iv）消弭意外降雨构成的灯泡损坏（Gubb和MacTavish， 2002年;Maw和Mullinix，2005）。

图12

图 12.丈量洋葱球的质量损失和颈部水分含量作为固化时间的函数：（A）运用太阳能单调机总持续时间为3天，（B）运用现场固化措施总持续时间为7天（误差线为规范误差，n = 5）。

本研讨设计并开发了一种负载才干为150 kg洋葱的太阳能驱动洋葱腌制系统原型。在未来的工作中，这种原型洋葱腌制系统需求扩展范围，以便农民或小范围洋葱消费商能够一次固化大量洋葱。扩展当前原型洋葱固化系统应思索的最重要的设计特征是太阳能集热器和单调室的尺寸、风扇配置和功率、增压室结构和烟囱的尺寸。由于吸风机配置和倾斜的增压结构招致平均固化，因而可用于增压洋葱固化系统的升级，因而能够运用相同的风扇配置和增压结构设计（见弥补资料A）。但是，应调整搜集器和单调室的大小，以增加洋葱固化系统的容量（放大）。CFD 模型有助于烘干机的尺寸和缩放，以完成与原型烘干机相似的系统行为和性能（Onwude 等人，2021 年）。在将模型用于放大单调机之前，需求对 CFD 模型中止实验考证（Mondal 等人，2022 年）。鉴于在大型单调机上中止丈量是不真实际的，他们得出结论，在小型设备上中止考证工作可能就足够了。所提出的CFD模型在这里中止了实验考证，如模型考证部分所述。因而，由于活动状态不太可能随着放大而改动，因而当前的CFD模型能够进一步用于研讨洋葱固化系统放大的设计。

目前开发的洋葱固化系统仅在白天有效，并且单调机的效率也随时间变更，细致取决于行将到来的太阳辐射的强度。在夜间，单调空气温度降低，空气相对湿度增加，招致颈部和外部鳞屑的水分去除率降低，从而延长总固化时间。太阳能固化系统的低效率能够经过集成蓄热组件来进步，例如在流体储罐中运用相变资料（PCM）。这样能够在更高和更平均的温度下大大延长单调过程时间，这意味着它减少了总单调时间。例如，与没有 PCM 的太阳能单调机相比，在储罐内运用 PCM 可将单调时间缩短 9.37-10.02%，细致取决于空气流速（Iranmanesh 等人，2020 年）。因而，在未来的工作中，需求设计和开发一种与蓄热相分离的太阳能固化系统，以进一步进步效率并缩短固化时间。

结论

在瞬态3D CFD建模的辅佐下，在埃塞俄比亚Bahir Dar设计和开发了太阳能固化系统。本设计的单调室中单调空气的速度、温度和相对湿度散布平均，足以固化长期贮存的洋葱球。依据实验值考证了模型预测的精确性，并且在单调室内的气流速度和温度方面察看到了良好的分歧性。丈量结果与预测结果之间的最大温度、速度和相对湿度差别分别为1.7°C、0.17 m s1和0.84%。此外，该模型用于预测灯泡的质量损失，经过将附加项归入思索灯泡颈部质量损失的模型方程，质量损失预测得到了显着改善。CFD模型稍微高估了固化后期的质量损失，经过思索灯泡颈部的收缩，能够进一步改进灯泡的质量损失预测。普通来说，基于CFD模型和实验评价，设计和开发的太阳能单调机能够用作替代和可持续的洋葱固化系统，并在2天的总持续时间内抵达足够的固化水平。