预冷是采后新鲜果蔬进入冷链低温环境的第一环节,也是确保后续冷链各环节(冷藏、运输、销售环节)果蔬质量和安全,延长果蔬货架期,扩大销售范围以及提升冷链物流全链条经济效益的关键,因此对采后新鲜果蔬进行及时预冷也已成为当今冷链物流运营商的一项必备增值业务。本文以富士苹果差压预冷过程为例,构建果品、通风箱体与衬垫真实三维模型,利用计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)数值模拟仿真与现场实验相结合的方式对苹果预冷过程从微观的冷空气流动、热量和质量传递到宏观的果品冷害、水分流失以及预冷过程能耗量上进行全面地、细节性地研究和分析,同时以获取的大量模拟数据为基础构建BP神经网络模型,这对于便捷地预冷性能综合性评估、预冷操作控制的决策优化及预冷过程的智能化控制的进一步实现提供了可靠的参考价值。本论文的主要研究内容与创新主要集中在以下3个方面:(1)高精度CFD数值模型的构建:以小型冷库为试验平台并构建其三维实体模型,通过CFD模拟仿真对比分析6种不同湍流模型(standardκ-ε,RNGκ-ε,Realizableκ-ε,standardκ-ω,SSTκ-ω,RSM)对温度与风速模拟值的影响,通过模拟值与实测值比较得出SSTκ-ω湍流模型在求解能量方程与动量方程上的精度最佳。构建果品预冷过程中所涉及的自身呼吸热、蒸发热、冷凝热及对流传热4种动态传热模型,利用用户自定义函数(User-Defined Function,UDF)将其能量模型融入到模拟仿真过程中,提高模拟仿真结果的准确性、真实性。(2)多层级果品预冷过程模拟研究:针对单果级果品预冷过程,构建单个富士苹果近真实3D模型与等直径球体,对比分析真实果形与等直径球体在雷诺数为10~30000的范围内壁面切应力、壁面阻力系数、边界层分离角度以及尾流回流区长度之间的不同,同时对比分析4种不同的果品与果品(或箱体壁面)接触点局部处理方式(缩小法、膨胀法、消平法和桥梁法)对果品温度模拟值的影响。最后提出在学术研究中可直接利用等直径苹果替代其真实形状,在整个雷诺数范围内两者之间的各种边界层物理量最大相对偏差在15%左右,另外桥梁法在4种接触点局部处理方式中准确性最高。单箱级模拟仿真研究:经市场调研采集10种不同尺寸、不同层数的苹果通风包装箱,针对每种箱体构建苹果、箱体及内部托盘真实3D物理模型,利用模拟仿真获取果品的冷却均匀性、能耗量,用现场实验获取果品的冷害率、水分流失率,实现不同送风风速对果品预冷有效性影响的综合性评估,最后为减少不必要的预冷能耗量和果品质量损失率针对不同层数包装箱提出了最佳的预冷送风风速范围为0.4-1m/s,另外为实现包装开孔参数的合理优化设计应同时考虑果品大小、箱体层数、托盘位置。堆栈级模拟仿真研究:对真实差压预冷工况下托盘化后的苹果包装箱进行三维实体建模,通过CFD数值模拟与现场实验相结合的方式综合性地对比分析不同差压对果品预冷均匀性、冷却速率、冷害、水分流失及预冷能耗量的影响,最后得出果品的冷却速率与能耗量之间存在一种指数关系,且果品水分流失仅直接关联与冷却时间的长短,而差压的变化对其并无显著地影响。(3)果品冷却性能预测模型及系统实现:首先针对粒子群算法单目标寻优进行优化,基于标准和压缩因子粒子群算法,依据群体多样性自适应的调节粒子进化过程中的惯性权重值,平衡粒子群算法的全局和局部搜索能力,同时利用拉格朗日插值法获取比现有群体最优个体更好的粒子引导群体的位移更新,避免全局最优个体无学习对象的缺陷,最后采用了服从高斯分布的单维度随机突变方式使得收敛的最优粒子跳出局部最优。另外,以大量被验证的CFD模拟数据为基础,以送风速度或差压、预冷目标温度、果品初始温度、预冷时间、开孔率为输入向量,以果品平均温度、预冷温度均匀性为输出向量,利用粒子群算法和BP神经网络相结合的方式对CFD模拟数据进行不断的训练,最终构建具有实际应用性的预冷工况冷却有效性实时预测模型,并依据预测结果对现有工况操作控制进行合理的调整与优化,另为便于用户对该预测模型的使用,本文将其模型封装于系统中。本论文为提高CFD数值模拟在果蔬预冷乃至在整个冷链物流中的应用准确性,为改善果蔬预冷均匀性、吞吐量,为减少不必要的能耗量和果蔬品质损失,以及为实现果蔬预冷性能的综合性评估和整个冷链物流经济效益的提升提供了一定参考和借鉴价值,同时也为实现新鲜果蔬预冷操作条件冷却有效性的预测及对预冷操作控制决策的优化提供了一定的理论支持。