營(yíng)養(yǎng)液紫外LED殺菌模組仿真與響應(yīng)面法優(yōu)化.pdf

中國(guó)農(nóng)業(yè)科技導(dǎo)報(bào) 2023 25 4 132 146 Journal of Agricultural Science and Technology 營(yíng)養(yǎng)液紫外LED殺菌模組仿真與響應(yīng)面法優(yōu)化 柯昊純 李琨 程瑞鋒 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部設(shè)施農(nóng)業(yè)節(jié)能與廢棄物處理重點(diǎn)試驗(yàn)室 北京 100081 摘 要 為了研究營(yíng)養(yǎng)液紫外LED殺菌 ultraviolet LED nutrient solution sterilization UV NSS 模組內(nèi)紫外輻照 分布并優(yōu)化其關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù) 采用Tracepro光學(xué)仿真軟件對(duì)UV NSS模組進(jìn)行建模和光線追跡 并以模組管道 內(nèi)徑 管壁厚度 管燈距離及燈條內(nèi)表面雙向反射分布函數(shù) bidirectional reflectance distribution function BRDF 為參數(shù)因子 以有效紫外輻照比例 effective UV radiation ratio EURR 和輻照離散度 irradiance dispersion ID 為響應(yīng)值進(jìn)行響應(yīng)面法參數(shù)優(yōu)化 結(jié)果表明 當(dāng)UV NSS模組管道內(nèi)徑28 mm 管壁厚度2 mm 管燈距離4 mm BRDF為0時(shí) 其模型EURR為12 14 ID為0 320 6 模型中心位置紫外輻照度模擬值與實(shí)測(cè) 值僅相差3 68 可準(zhǔn)確反映模組內(nèi)輻照分布情況 基于上述模型開(kāi)展中心復(fù)合有界設(shè)計(jì) 以響應(yīng)面法擬合 EURR和ID的二次回歸方程 其決定系數(shù)分別為0 962 0和0 967 8 擬合顯著 P 0 05 以EURR最大化 ID 最小化為目標(biāo) 結(jié)合響應(yīng)面法與實(shí)際情況確定參數(shù)因子的最優(yōu)組合為管道內(nèi)徑50 mm 管壁厚度3 mm 管燈距 離0 6 mm BRDF為0 55 代入模型后EURR為32 11 較優(yōu)化前提升了164 50 ID為0 317 8 較優(yōu)化前降低 了0 87 采用該參數(shù)制造UV NSS模組 其紫外輻照度實(shí)測(cè)值與模擬值僅相差1 73 關(guān)鍵詞 紫外殺菌 Tracepro 模型 中心復(fù)合有界設(shè)計(jì) 參數(shù)優(yōu)化 doi 10 13304 j nykjdb 2022 1068 中圖分類號(hào) S221 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A 文章編號(hào) 1008 0864 2023 04 0132 15 Simulation and Optimization on Ultraviolet LED Nutrient Solution Sterilization Module Based on Response Surface Method KE Haochun LI Kun CHENG Ruifeng Key Laboratory of Energy Conservation and Waste Management of Agricultural Structures of Ministry of Agriculture and Rural Affairs Institute of Environment and Sustainable Development in Agriculture Chinese Academy of Agricultural Sciences Beijing 100081 China Abstract In order to reveal the influence of structural parameters on distribution of ultraviolet radiation in the ultraviolet LED nutrient solution sterilization UV NSS module and optimize key structural parameters the engineering software Tracepro was used to model and ray trace the UV NSS module The inner diameter of tube the thickness of tube wall the tube lamp distance and the bidirectional reflectance distribution function BRDF of the inner surface of light bar were the parameter factors the effective UV radiation ratio EURR and the irradiance dispersion ID were the response The results showed that when the UV NSS module model had the tube inner diameter of 28 mm the tube wall thickness of 2 mm the tube lamp distance of 4 mm and the BRDF of 0 its EURR was 12 14 ID was 0 320 6 and the difference between the simulated value and the measured value of ultraviolet irradiance was only 3 68 which meaned that the model could accurately show the irradiance distribution in the module Based on the model the central composite bounded design was carried out and the response surface method was used to analyze the quadratic regression equations of EURR and ID Their determination coefficients were 0 962 0 收稿日期 2022 12 07 接受日期 2023 02 13 基金項(xiàng)目 國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目 2020YFB0407902 陜西省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目 2022ZDLNY03 01 江蘇省科技項(xiàng)目 BE2020401 聯(lián)系方式 柯昊純 E mail kehaochun 通信作者 李琨 E mail likun 程瑞鋒 E mail chengruifeng 4 期 柯昊純等 營(yíng)養(yǎng)液紫外LED殺菌模組仿真與響應(yīng)面法優(yōu)化 and 0 967 8 respectively which meaned the fitting was significant P 0 05 With the goal of maximizing EURR and minimizing ID the optimal combination of parameter factors was determined with response surface method under the consideration of actual situation the inner diameter of tube was 50 mm the thickness of tube wall was 3 mm the tube lamp distance was 0 6 mm BRDF was 0 55 After being substituted into model its EURR and ID were 32 11 and 0 317 8 which increased and decreased by 164 50 and 0 87 compared with before optimization respectively Using these parameters to manufacture the UV NSS module the difference between the measured value and the simulated value of the ultraviolet irradiance was only 1 73 Key words UV sterilization Tracepro model central composite inscribed design parameter optimization 植物工廠是在潔凈環(huán)境中使用人工光源和無(wú) 土栽培技術(shù)進(jìn)行高效種植的農(nóng)業(yè)設(shè)施 1 近年來(lái) 廣泛應(yīng)用于高可溶性糖 高維生素C 低硝酸鹽的 高品質(zhì)蔬菜生產(chǎn) 2 6 產(chǎn)品潔凈安全是植物工廠相 對(duì)其他種植模式的重要優(yōu)勢(shì) 空氣 水 種子 物 料及人員在進(jìn)入植物工廠前均需經(jīng)過(guò)凈化環(huán)節(jié) 為植物工廠的潔凈生產(chǎn)提供保障 7 盡管如此 植物工廠中還是不可避免地存在 微生物 8 植物工廠的營(yíng)養(yǎng)液在供給植物營(yíng)養(yǎng)的 同時(shí) 也為微生物提供了良好的生存環(huán)境 9 成為 植物工廠中最易受微生物污染的部分 8 李倩 10 研 究發(fā)現(xiàn) 每毫升營(yíng)養(yǎng)液中的微生物數(shù)量可達(dá)10 3 59 10 5 02 個(gè) 涉及30個(gè)門 411個(gè)屬 包含地中海假單胞 菌 Pseudomonds mediterranea 鏈格孢菌 Alternaria alternata 尖孢鐮刀菌 Fusarium oxysporum 黃曲 霉菌 Aspergillus flavus 和黑曲霉菌 Aspergillus niger 等多種病原菌 研究表明 植物工廠營(yíng)養(yǎng)液 中的黃單胞菌屬 Xanthomonas 可以導(dǎo)致油菜 甘藍(lán)等多種十字花科作物黑腐病 使辣椒等茄 科作物葉片生長(zhǎng)不良 影響其光合作用 降低產(chǎn) 量 11 密歇根棒狀桿菌密歇根亞種 Clavibacter michiganensis spp Michiganensis 會(huì)導(dǎo)致番茄細(xì)菌 性潰瘍病 對(duì)番茄的生長(zhǎng)發(fā)育危害極大 12 波紋假 單胞菌 Pseudomonas corrugata 和邊緣假單胞菌 Pseudomonas marginalis 會(huì)引起番茄植株倒伏乃 至葉片維管束褐變 髓部塌陷及枯萎 13 青枯菌 Ralstonia solanacearum 能感染番茄 辣椒等多種 作物 造成青枯病 14 嚴(yán)重威脅作物的生長(zhǎng)發(fā)育和 產(chǎn)品的潔凈安全 因此 為了保障產(chǎn)品質(zhì)量 有必 要對(duì)植物工廠營(yíng)養(yǎng)液進(jìn)行殺菌消毒 開(kāi)展消毒 工藝優(yōu)化研究 紫外殺菌因其廣譜 高效 非接觸及副產(chǎn)物少 等優(yōu)點(diǎn) 被廣泛用于營(yíng)養(yǎng)液殺菌 可以有效殺死各 種營(yíng)養(yǎng)液中的細(xì)菌 Acher等 15 使用254 nm紫外 線進(jìn)行營(yíng)養(yǎng)液殺菌 使高粱的鮮重達(dá)到對(duì)照組的 227 Zhang等 16 使用不同劑量的紫外線進(jìn)行營(yíng)養(yǎng) 液殺菌后 瓜果腐霉 Pythium Aphanidermatum 和 總菌群數(shù)量顯著減少 因此 大量采用汞燈為紫 外線發(fā)射源的營(yíng)養(yǎng)液殺菌裝置被開(kāi)發(fā)并投入使 用 17 19 然而 汞燈中含有重金屬汞 根據(jù)我國(guó)簽 署的 水俁公約 汞燈的生產(chǎn)和貿(mào)易面臨全面禁 止 因此 采用紫外LED Ultraviolet LED UV LED 替代汞燈進(jìn)行營(yíng)養(yǎng)液殺菌已成為重要研究方 向 Wang等 20 使用30 W功率的UV LED裝置對(duì) 營(yíng)養(yǎng)液殺菌70 s 取得94 的殺菌率 Tsunedomi 等 21 使用385 nm的UV LED對(duì)植物工廠營(yíng)養(yǎng)液進(jìn) 行殺菌 殺菌率達(dá)到99 以上 盡管上述UV LED殺菌裝置均有一定效果 但由于UV LED發(fā)光效率較低 22 23 不足20 24 亟需對(duì)UV LED殺菌裝置的工藝和參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化 以提高殺菌效率 Kim等 25 考察UV LED營(yíng)養(yǎng)液 殺菌裝置在不同流速和功率下對(duì)營(yíng)養(yǎng)液的殺菌效 果 發(fā)現(xiàn)減小流速或增加功率均能提升裝置殺菌 能力 Hessling等 26 采用單顆UV LED設(shè)計(jì)殺菌 裝置并測(cè)試 發(fā)現(xiàn)最高20 L h 1 的流速可以使滅 菌率達(dá)到99 9 此外 由于紫外光穿透力低 傳 播距離近 裝置的形狀 尺寸 照射距離及液體厚 度等也會(huì)對(duì)消毒效果產(chǎn)生明顯影響 27 Oguma 等 28 設(shè)計(jì)了圓柱形UV LED殺菌裝置 改變UV LED間距并測(cè)試殺菌效果 發(fā)現(xiàn)不同間距下的殺 菌效果差異較大 吳燕濤 29 采用有限元分析和流 體模擬技術(shù) computational fluid dynamics CFD 探 究果汁的紫外殺菌參數(shù) 發(fā)現(xiàn)照射距離2 cm 液 層厚度8 mm 果汁流速8 m s 1 時(shí)紫外殺菌效果 較好 已有研究多集中在對(duì)流速 輻照時(shí)間及輻照 度等殺菌工藝參數(shù)的優(yōu)化上 缺乏對(duì)殺菌裝置結(jié) 構(gòu)設(shè)計(jì)與關(guān)鍵參數(shù)互作的研究 本研究開(kāi)發(fā)了 1種UV LED營(yíng)養(yǎng)液殺菌模組 對(duì)其多項(xiàng)結(jié)構(gòu)參數(shù) 及其互作效應(yīng)對(duì)紫外輻照分布的影響進(jìn)行研究 133 中國(guó)農(nóng)業(yè)科技導(dǎo)報(bào) 25 卷 通過(guò)響應(yīng)面法優(yōu)化確定最優(yōu)參數(shù)組合并驗(yàn)證 為 UV LED營(yíng)養(yǎng)液殺菌裝置的節(jié)能增效提供科學(xué)依 據(jù) 為植物工廠中蔬菜的潔凈生產(chǎn)提供技術(shù)保障 1 材料與方法 1 1 UV LED營(yíng)養(yǎng)液殺菌模組 本研究開(kāi)發(fā)了1種UV LED營(yíng)養(yǎng)液殺菌 Ultraviolet LED nutrient solution sterilization UV NSS 模組 圖1 其主要組成部分包括UV LED 燈條 石英管 固定裝置和電源等 其中 燈條 上的UV LED由山西中科潞安紫外光電科技有 限公司提供 型號(hào)Z 35DFBNC 0015A1 設(shè)計(jì)功 率0 2 W 輻照功率4 mW UV LED燈條由60顆 上述燈珠以9 mm間隔焊接在鋁基板 600 mm 16 6 mm 1 mm 上組成 石英管內(nèi)徑28 mm 壁 厚2 mm 長(zhǎng)度600 mm 固定裝置為3D打印定制 零件 可將8根UV LED燈條固定在石英管外 距管壁4 mm 1 2 UV NSS模組光學(xué)參數(shù)測(cè)定 為確定UV NSS模組模型關(guān)鍵光學(xué)參數(shù) 對(duì) 模組UV LED燈珠光譜及石英管透過(guò)率進(jìn)行 測(cè)定 1 2 1 UV LED燈珠光譜測(cè)定 采用紫外光譜儀 Avaspec uls2048xl rs evo ua 25 荷蘭Avantes公 司 對(duì)1 1中所用UV LED燈珠光譜進(jìn)行測(cè)量 其 發(fā)射波峰為274 nm 半波寬13 nm 圖2 A UV NSS模組正面 B UV NSS模組斜側(cè)面 1 UV LED燈條 2 UV LED燈珠 3 石英管 4 固定裝置 A Front of UV NSS module B Oblique side of UV NSS module 1 UV LED bar 2 UV LED beads 3 Quartz tube 4 Fixtures 圖1 UV NSS模組 Fig 1 Pictures of UV NSS module 圖 2 UV LED光譜圖 Fig 2 Spectrum of UV LED 134 4 期 柯昊純等 營(yíng)養(yǎng)液紫外LED殺菌模組仿真與響應(yīng)面法優(yōu)化 1 2 2 石英管紫外透過(guò)率測(cè)定 采用1 1中所述 UV LED燈珠構(gòu)建測(cè)量燈板 直徑130 mm 燈珠 24顆 最大功率4 8 W 圖3A 將紫外光譜儀探 頭垂直固定在距測(cè)量燈板中心下方50 mm的平面 上 探頭上方5 mm處放置與試驗(yàn)用石英管規(guī)格相 同的半圓形石英片 圖3B 調(diào)整測(cè)量燈板功率 分別測(cè)量石英片遮蓋前 后的輻照度 石英管紫 外透過(guò)率計(jì)算公式如式 1 T E e1 E e2 1 式中 E e1 為遮蓋石英片后的輻照度 E e2 為遮 蓋石英片前的輻照度 T為透過(guò)率 遮蓋前后紫 外輻照度及透過(guò)率如表1所示 經(jīng)計(jì)算石英管的 平均紫外透過(guò)率為0 930 1 3 UV NSS模組模型構(gòu)建及驗(yàn)證 采用TracePro光學(xué)仿真軟件對(duì)UV LED燈珠 發(fā)光 模組內(nèi)光路 紫外輻照度分布及其均勻性進(jìn) 行仿真模擬 該軟件可實(shí)現(xiàn)模型構(gòu)建 光學(xué)仿真 及仿真結(jié)果分析 廣泛應(yīng)用于燈具設(shè)計(jì)和照明系 統(tǒng)設(shè)計(jì) 1 3 1 UV LED燈珠模型 根據(jù)研究所用UV LED芯片規(guī)格 將其模型設(shè)為0 5 mm 0 5 mm 0 1 mm的立方體 設(shè)置其中1個(gè)0 5 mm 0 5 mm 的面為發(fā)光面 根據(jù)所用UV LED規(guī)格書 將其 發(fā)光模式設(shè)為L(zhǎng)ambertian發(fā)光場(chǎng)型 輻照功率 4 mW 根據(jù)1 2 1中測(cè)量結(jié)果 將其發(fā)射波峰 A UV LED測(cè)量燈板 B 石英管紫外透過(guò)率測(cè)量裝置 1 UV LED測(cè)量燈板 2 與試驗(yàn)用石英管規(guī)格相同的半圓形石英片 3 紫外光 譜儀的測(cè)量探頭 A UV LED measurement board B UV transmittance measurement device for quartz tube 1 UV LED measurement board 2 Semicircular quartz plate with the same specifications as quartz tube 3 Measurement probe of ultraviolet spectrometer 圖3 石英管透過(guò)率測(cè)定 Fig 3 Measurement of transmittance for quartz tube 表1 石英片遮蓋前后紫外輻照度及透過(guò)率 Table 1 UV irradiance before and after covering the quartz plate and its transmittance 指標(biāo)Index 輻照度Irradiance W cm 2 遮蓋前Before covering 123 5 133 9 144 8 157 1 194 9 遮蓋后After covering 115 7 125 4 136 9 146 2 175 5 透過(guò)率Transmittance 0 937 0 937 0 945 0 931 0 900 135 中國(guó)農(nóng)業(yè)科技導(dǎo)報(bào) 25 卷 設(shè)為274 nm 其光線追跡如圖4所示 1 3 2 UV LED燈條模型 根據(jù)1 1中UV LED 燈條結(jié)構(gòu) 設(shè)定鋁基板模型為80 mm 16 6 mm 1 mm的立方體 將UV LED燈珠模型間隔9 mm 固定在其中線上組成UV LED燈條模型 6顆以 上的燈珠對(duì)燈條中心橫截面的輻照度影響很小 故為簡(jiǎn)化模型 提高仿真效率 采用6顆燈珠構(gòu) 建UV LED燈條模型 其光線追跡如圖5所示 1 3 3 石英管及液體模型 根據(jù)UV NSS模組結(jié) 構(gòu) 設(shè)定石英管模型為內(nèi)徑28 mm 壁厚2 mm 長(zhǎng) 度80 mm的管道 設(shè)定液體模型為直徑28 mm 等 于石英管內(nèi)徑 長(zhǎng)度80 mm的圓柱體 1 3 4 UV NSS模組模型 將UV LED燈條模型 石英管模型和液體模型按圖6所示結(jié)構(gòu)組合為 UV NSS模組模型 其中 8個(gè)UV LED燈條模型 環(huán)繞石英管模型組成正八邊形 液體模型嵌入石 英管模型中 兩端平齊 1 3 5 模型光學(xué)參數(shù)設(shè)定 為準(zhǔn)確模擬UV NSS 模組的真實(shí)情況 基于其實(shí)際光學(xué)性能對(duì)模型進(jìn) 行參數(shù)設(shè)定 試驗(yàn)所用UV LED燈條內(nèi)表面涂有白色油墨 型號(hào)LE 600 大倉(cāng)藤田公司 反射和散射性能較 差 故將UV LED燈條模型內(nèi)表面設(shè)為Perfect Absorber 完美吸收面 吸收率為1 雙向反射分布 函數(shù) bidirectional reflectance distribution function BRDF 為0 根據(jù)1 2 1中的測(cè)定結(jié)果 設(shè)定石英管 模型對(duì)274 nm紫外線透過(guò)率為0 930 由于營(yíng)養(yǎng) 液中離子水平較低 營(yíng)養(yǎng)液和水的光學(xué)特性差異較 小 設(shè)定液體模型的材質(zhì)為水 1 3 6 參考面設(shè)定 為探明液體截面上的紫外輻 照分布 取模型的中心橫截面為參考面 圖7 該 面前 后各有24個(gè)UV LED燈珠模型均勻?qū)ΨQ分 布 可作為UV NSS模組橫截面的典型代表 圖4 UV LED燈珠模型光線追跡 Fig 4 Lighting of UV LED bead model 圖5 UV LED燈條模型光線追跡 Fig 5 Lighting of UV LED bar model 注 1 UV LED燈珠模型 2 UV LED燈條模型 3 石英管模 4 液體模型 Note 1 UV LED bead model 2 UV LED bar model 3 Quartz tube model 4 Liquid model 圖6 UV NSS模組模型 Fig 6 UV NSS module model 圖7 參考面在模型中的位置 Fig 7 Position of the reference surface in the model 136 4 期 柯昊純等 營(yíng)養(yǎng)液紫外LED殺菌模組仿真與響應(yīng)面法優(yōu)化 1 3 7 模型驗(yàn)證 為驗(yàn)證模型準(zhǔn)確性 將UV NSS 模組中對(duì)應(yīng)參考面中心位置的輻照度實(shí)測(cè)值和模 型對(duì)應(yīng)位置的模擬值進(jìn)行對(duì)比 研究采用紫外光譜儀 Avaspec uls2048xl rs evo ua 25 荷蘭Avantes公司 測(cè)定UV NSS模組 輻照度 測(cè)定時(shí) 將光譜儀探頭固定在泡沫塑料 制成的固定件中 使探頭受光面與固定件表面平 齊后插入石英管 移動(dòng)固定件使探頭受光面位于 1 3 6中的參考面中心位置 圖8 其輻照度為 23 67 W m 2 為得到上述條件下的輻照度模擬值 僅打開(kāi) 模型參考面一側(cè)的24個(gè)UV LED燈珠模型進(jìn)行光 線追跡 得到此時(shí)的參考面輻照分布 圖9 以 微元法將其分為128 128個(gè)微面 選取中心位置 的微面256個(gè) 使其覆蓋面積與探頭受光面相 同 12 56 mm 2 所選微面的輻照度平均值為 24 54 W m 2 即參考面中心位置的輻照度模擬 值 由此可知 輻照度實(shí)測(cè)值與模擬值僅相差 3 68 模型可以反映模組內(nèi)光線的分布情況 可 用于后續(xù)仿真模擬及優(yōu)化研究 1 4 響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)設(shè)計(jì) 以模組石英管內(nèi)徑 管道內(nèi)徑 A 石英管 管壁厚度 管壁厚度 B 石英管到UV LED距離 管燈距離 C 和燈條模型內(nèi)表面雙向反射分布 函數(shù) bidirectional reflectance distribution function BRDF D 為參數(shù)因子 石英管內(nèi)有效紫外輻照比 例 effective UV radiation ratio EURR 和輻照離 散度 irradiance dispersion ID 為響應(yīng)值 其中 EURR為參考面上液體截面的輻照功率占總發(fā) 射輻照功率的比例 計(jì)算公式如下 EURR 1 0 100 2 式中 0 為總發(fā)射輻照功率 W 1 為液體 截面的輻照功率 W 由1 3 1可知 48顆燈珠模型的總發(fā)射輻照 功率 0 0 192 W 以微元法將參考面分為128 128個(gè)微面 選取其中屬于液體截面的微面 12 692個(gè) 對(duì)各微面的輻照度E 1 積分 可得液體截 面的輻照功率 1 計(jì)算公式如式 3 所示 1 A E 1 dA 3 式中 E 1 為各微面輻照度 W m 2 A為微面 m 2 1 為液體截面的輻照功率 W ID為參考面上紫外輻照的離散度 等于液體 截面各微面輻照度的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差之比 計(jì)算 公式如下 ID S d E 4 式中 E為微面的平均輻照度 W m 2 S d 為 注 1 光譜儀探頭受光面 2 探頭固定件 3 UV LED燈條 4 石英管 Note 1 Light receiving surface of spectrometer probe 2 Probe fixture 3 UV LED bar 4 Quartz tube 圖8 UV NSS模組輻照度實(shí)測(cè) Fig 8 Measurement of UV NSS module irradiance 圖9 單側(cè)發(fā)光下參考面紫外輻照分布及光譜儀探頭受 光面對(duì)應(yīng)位置 Fig 9 Ultraviolet irradiance distribution of the reference surface and the corresponding position of the light receiving surface of the spectrometer probe under unilateral lighting 137 中國(guó)農(nóng)業(yè)科技導(dǎo)報(bào) 25 卷 微面輻照度的標(biāo)準(zhǔn)差 W m 2 采用中心復(fù)合有界設(shè)計(jì) central composite inscribed design CCI 進(jìn)行仿真試驗(yàn) 因子編碼及 水平如表2所示 2 結(jié)果與分析 2 1 優(yōu)化前模型仿真結(jié)果 對(duì)1 3中UV NSS模型進(jìn)行光線追跡 得到其 參考面上液體截面的紫外輻照分布 圖10 結(jié)合 圖10及公式 2 4 可得EURR為12 14 ID為 0 320 6 2 2 仿真試驗(yàn)結(jié)果與分析 根據(jù)CCI試驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真試驗(yàn) 設(shè)計(jì)方案 和試驗(yàn)結(jié)果如表3所示 使用Design Expert 12對(duì) 所得數(shù)據(jù)進(jìn)行響應(yīng)面法分析 得到EURR和ID的 二次回歸方程如下 EURR 1 43A 0 03B 0 34C 8 1D 0 012A 2 0 10B 2 0 19C 2 33 99D 2 0 007 8AB 0 002 8AC 0 191AD 0 025BC 2 35BD 2 30CD 14 8 5 ID 0 007 1A 0 076 7B 0 062 1C 0 101 5D 0 000 083A 2 0 001 8B 2 0 007 5C 2 0 000 0D 2 0 000 48AB 0 000 364AC 0 000 64AD 0 006 89BC 0 006 7BD 0 015 30CD 0 370 9 6 分別對(duì)回歸方程 5 和 6 進(jìn)行方差分析 顯著性檢驗(yàn)和失擬檢驗(yàn) 定量分析其中各項(xiàng)對(duì) EURR和ID影響的顯著性 結(jié)果 表4和表5 表 明 EURR和ID的二次回歸方程 P 值均小于 表2 參數(shù)因子水平及其編碼表 Table 2 Parameter factor level and code 因子Factor 管道內(nèi)徑Inner diameter of tube mm 管壁厚度Thickness of tube wall mm 管燈距離Tube lamp distance mm 雙向反射分布函數(shù)BRDF 編碼 Coding A B C D 水平Level 2 24 00 0 00 0 00 0 00 1 30 50 0 75 1 25 0 25 0 37 00 1 50 2 50 0 50 1 43 50 2 25 3 75 0 75 2 50 00 3 00 5 00 1 00 圖10 UV NSS模組模型參考面紫外輻照分布 Fig 10 Ultraviolet radiation distribution on the UV NSS module model reference surface 表3 仿真試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案及結(jié)果 Table 3 Design scheme and results of simulation experiments 試驗(yàn)序號(hào)Number of experiment 1 2 3 4 5 6 7 試驗(yàn)設(shè)計(jì)組合Experiment design combination A 1 1 1 1 1 1 1 B 1 1 1 1 1 1 1 C 1 1 1 1 1 1 1 D 1 1 1 1 1 1 1 試驗(yàn)結(jié)果Experiment result EURR 18 94 24 66 18 60 24 09 15 96 21 30 15 30 ID 0 381 2 0 387 9 0 303 3 0 325 7 0 312 4 0 314 8 0 272 6 138 4 期 柯昊純等 營(yíng)養(yǎng)液紫外LED殺菌模組仿真與響應(yīng)面法優(yōu)化 0 000 1 具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義 在EURR的二次回歸 方程中 A C D D 2 的影響均達(dá)到極顯著水平 P 0 01 B達(dá)到顯著水平 P 0 05 在ID的二 次回歸方程中 A B C D BC C 2 的影響均達(dá)到 極顯著水平 P 0 01 CD 達(dá)到顯著水平 P 0 05 舍棄不顯著項(xiàng)后重新擬合 回歸方程如下 EURR 0 398A 1 183B 1 879C 11 640D 37 390D 2 11 910 7 ID 0 001 07A 0 050 37B 0 077 78C 0 067 70D 0 008 00C 2 0 006 89BC 0 015 30CD 0 470 80 8 重新擬合后 回歸方程的擬合統(tǒng)計(jì)指標(biāo)如 表6所示 方程 7 和 8 的決定系數(shù) 調(diào)整后決 定系數(shù)和預(yù)測(cè)擬合度均大于0 8 且調(diào)整后決定系 數(shù)和預(yù)測(cè)擬合度的差值小于0 2 表明重新擬合的 二次回歸方程較為準(zhǔn)確 同時(shí) 其精度值均大于 4 變異系數(shù)均小于10 表明其能夠用于后續(xù)優(yōu) 化 且具有良好的可重復(fù)性 2 3 單因素效應(yīng)分析 為確定各因子對(duì)EURR和ID的單因素效應(yīng) 將方程 7 和 8 以編碼后的因子水平表達(dá)并簡(jiǎn) 化 各因子 依次除其中一個(gè)因子外 固定在零水 平 得到單因素效應(yīng)方程如下 EURR 23 683 2 568A 9 EURR 23 683 2 568A 10 EURR 23 683 0 887B 11 EURR 23 683 2 349C 12 EURR 23 683 6 437D 2 337D 2 13 ID 0 301 62 0 006 98A 14 ID 0 301 62 0 024 86B 15 ID 0 301 62 0 024 78C 0 012 49C 2 16 ID 0 301 62 0 007 35D 17 由上述方程可得EURR和ID的單因素效應(yīng)曲 線 圖11 由圖11可知 D影響較大 其他因子影 響較小 即BRDF對(duì)EURR影響最大 當(dāng)BRDF從 表3 仿真試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案及結(jié)果 Table 3 Design scheme and results of simulation experimentsxu 續(xù)表Continued 試驗(yàn)序號(hào)Number of experiment 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 試驗(yàn)設(shè)計(jì)組合Experiment design combination A 1 1 1 1 1 1 1 1 1 2 2 0 0 0 0 0 0 0 B 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 2 2 0 0 0 0 0 C 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 2 2 0 0 0 D 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 2 2 0 試驗(yàn)結(jié)果Experiment result EURR 20 58 33 20 37 88 31 36 35 00 27 40 31 31 24 73 29 36 17 43 29 12 28 01 23 18 28 85 19 56 17 94 49 78 24 61 ID 0 280 1 0 342 9 0 358 5 0 279 5 0 305 8 0 303 8 0 307 9 0 261 8 0 271 5 0 274 2 0 310 6 0 357 4 0 263 6 0 412 3 0 294 9 0 314 0 0 298 9 0 304 7 139 中國(guó)農(nóng)業(yè)科技導(dǎo)報(bào) 25 卷 表4 以有效紫外輻照比例為考察指標(biāo)的回歸系數(shù)檢驗(yàn)表 Table 4 Analysis of regression coefficient test of the effective ultraviolet radiation ratio 來(lái)源Source 模型 Model A B C D AB AC AD BC BD CD A 2 B 2 C 2 D 2 殘差Residual 總和Cor total 和方差Sum of squares 1 461 900 0 160 530 0 18 890 0 132 400 0 994 470 0 0 023 3 0 008 6 1 540 0 0 008 6 3 110 0 8 250 0 3 080 0 0 038 0 0 946 4 50 970 0 37 680 0 1 499 580 0 自由度Degree of freedom 14 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 10 24 均方Mean square 104 420 0 160 530 0 18 890 0 132 400 0 994 470 0 0 023 3 0 008 6 1 540 0 0 008 6 3 110 0 8 250 0 3 080 0 0 038 0 0 946 4 50 970 0 3 770 0 F值F value 27 710 0 42 600 0 5 010 0 35 130 0 263 900 0 0 006 2 0 002 3 0 409 7 0 002 3 0 824 3 2 190 0 0 816 6 0 010 1 0 251 2 13 520 0 P值P value 0 000 1 0 000 1 0 049 1 0 000 1 0 000 1 0 938 9 0 962 9 0 536 5 0 962 9 0 385 3 0 169 7 0 387 4 0 922 0 0 627 1 0 004 3 表5 以輻照離散度為考察指標(biāo)的回歸系數(shù)檢驗(yàn)表 Table 5 Analysis of regression coefficient test of the irradiance dispersion 來(lái)源Source 模型 Model A B C D AB AC AD BC BD CD A 2 B 2 C 2 D 2 殘差Residual 總和Cor total 和方差Sum of squares 0 037 6 0 001 2 0 014 8 0 014 7 0 001 3 8 6E 05 0 000 1 1 74E 05 0 000 7 2 53E 05 0 000 4 0 000 1 1 16E 05 0 001 6 1 23E 11 0 000 6 0 038 2 自由度Degree of freedom 14 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 10 24 均方Mean square 0 002 7 0 001 2 0 014 8 0 014 7 0 001 3 8 6E 05 0 000 1 1 74E 05 0 000 7 2 53E 05 0 000 4 0 000 1 1 16E 05 0 001 6 1 23E 11 5 91E 05 F值F value 45 42 19 77 250 84 249 16 21 95 1 45 2 36 0 29 11 28 0 43 6 18 2 36 0 20 26 53 2 07E 07 P值P value 0 000 1 0 001 2 0 000 1 0 000 1 0 000 9 0 255 6 0 155 2 0 599 1 0 007 3 0 528 2 0 032 2 0 155 7 0 667 9 0 000 4 0 999 6 140 4 期 柯昊純等 營(yíng)養(yǎng)液紫外LED殺菌模組仿真與響應(yīng)面法優(yōu)化 2水平增至 1水平時(shí) EURR略微降低 從 1水平 增至2水平時(shí) EURR顯著升高 A 管道內(nèi)徑 B 管壁厚度 和C 管燈距離 對(duì)EURR的影響相對(duì)較 小 且均為線性關(guān)系 其中管道內(nèi)徑與EURR正相 關(guān) 管壁厚度和管燈距離與EURR負(fù)相關(guān) 由圖11可知 C 管燈距離 對(duì)ID影響最大 其次為B 管壁厚度 其他因子的影響較小 當(dāng) 管燈距離從 2水平增至1水平時(shí) ID顯著下降 從1水平增至2水平時(shí) ID略有上升 管道內(nèi)徑 管壁厚度和BRDF對(duì)ID的影響