柑橘是全球消費量最大的水果之一，富含營養，是中國飲食的重要組成部分（Lu等人，2024年；Shermila等人，2024年）。隨著消費者期望的不斷提高（Wang等人，2024年；Xiao等人，2024年），質量保障變得越來越重要。實際上，柑橘在儲存過程中經常受到損傷，導致風味迅速惡化，保質期縮短（Kato-Noguchi和Kato，2025年；Kujur等人，2025年）。這種損傷會影響口感和外觀，并可能擴散，導致廣泛變質。因此，及時準確的損傷檢測至關重要。需要一種簡單可靠的方法來幫助消費者監測水果質量，減少浪費，并確保食品安全。
傳統的柑橘質量檢測方法，如感官評估和使用精密儀器，存在明顯局限性。感官評估具有主觀性和不一致性，而精密儀器雖然準確，但往往價格昂貴、體積龐大且操作復雜，不適合日常使用。因此，需要一種快速、高效、用戶友好的檢測方法來評估小規模柑橘的質量。
研究表明，當柑橘受損時，會釋放出不同的揮發性有機化合物（VOCs）（Wang等人，2025a；Wang等人，2026年）。機械損傷通常由運輸和儲存過程中的擠壓和外部力量引起。同時，受損的果實更容易受到真菌感染，從而導致采后腐爛，給柑橘產業帶來重大經濟損失。機械損傷和真菌感染都會改變柑橘釋放的VOCs的組成和濃度特性，從而為基于氣體傳感器的無損檢測提供了理論基礎。柑橘的機械損傷主要有三種類型：碰傷、穿刺和切割。受損的柑橘果皮和果肉會釋放多種有機化合物，這些化合物與健康果實的VOCs有所不同（Jo等人，2023年）。機械損傷后，某些VOCs的濃度會增加，例如D-檸檬烯和γ-萜烯（Nicola?等人，2016年；Zhang等人，2017年）。此外，柑橘青霉病是最常見的疾病，感染后柑橘會釋放大量揮發性化合物。還有一些新的化合物，如β-蒎烯和芳樟醇也會在感染后釋放（Wu等人，2023年；Chalupowicz等人，2020年）。因此，VOCs是檢測柑橘損傷的可靠指標。
氣體傳感器能夠檢測氣味（Ferreira等人，2024年；Feng等人，2024年；Rasekh和Karami，2021年），為柑橘質量評估提供了快速、無損的檢測方法（Liu等人，2024年；Wang等人，2025c）。通過監測儲存或處理過程中的VOC變化，氣體傳感器可以有效檢測物理損傷（Sun等人，2024年；Zhang等人，2024b）。然而，目前仍缺乏實用的柑橘氣體檢測系統。
氣體檢測室（Jin等人，2025b；Zhang等人，2025b）是氣體傳感器系統的核心組成部分，用于容納氣體傳感器陣列，通常連接到氣體流動系統。其幾何形狀和內部結構會顯著影響氣體流動特性和傳感器響應，從而影響整體檢測和識別性能（Wang等人，2025b；Liu等人，2025）。
近年來，多項研究探索了氣體檢測室的設計，并取得了良好的結果。基本幾何形狀，如立方體、圓錐體和倒角形狀已被廣泛采用。Zeng和Fang（2021年）設計了一種矩形立方體檢測室，并結合計算流體動力學（CFD）仿真和實驗驗證來研究多組分氣體混合。Xu等人（2025年）為基于電子鼻的黃龍病檢測系統設計了一種圓錐形檢測室。然而，這些檢測室中的氣流是直線流動的，難以處理低濃度VOCs。
因此，需要對檢測室進行優化，已有研究對此進行了探討。Wang等人（2021年）對結構進行了修改，例如對四個角進行倒角并添加了可調高度的內部擋板。Sharma等人（2021年）添加了內部擋板并優化了孔板。Jin等人（2025a）借鑒了鱘魚的嗅覺機制，設計了一種能夠有效引導目標氣體與傳感器表面充分接觸的同時最小化大氣湍流的檢測室。
受生物啟發的檢測室結構可能會降低檢測效率。因此，本研究重點關注檢測室的微型化和快速檢測。采用了基本幾何形狀并結合結構優化。值得注意的是，大多數以往的研究僅關注優化單個檢測室參數（如倒角或內部擋板），這限制了整體檢測室性能。本研究旨在優化所有參數并獲得全面的結果。
同時，k–ε模型作為雷諾平均納維-斯托克斯湍流模型之一，因其高計算效率和湍流剪切流的模擬準確性，常用于模擬農產品的空氣流動。Kurafeeva等人（2024年）成功應用k–ε模型模擬了柑橘在保護屏結構下的空氣流動，證實了其適用于柑橘相關流動模擬。同樣，Hua等人（2023年）使用k–ε模型模擬了蘋果園的空氣流動和熱傳遞，證明了其在水果冠層環境中的適用性。因此，本研究也采用了k–ε模型進行模擬。
設備微型化和快速檢測對于用戶友好性和實時性能至關重要。首先，空間總是有限的，用戶通常無法忍受笨重的設備，也不具備操作復雜儀器的專業知識。其次，實時快速檢測尤為重要，特別是在水果儲存期間，因為未能及時識別變質或受損的柑橘可能導致氣體交叉污染和整體質量加速下降。最后，由于柑橘在常溫儲存條件下的VOCs濃度較低，因此氣體富集能力和結構效率對于在短時間內獲得足夠樣本至關重要。因此，需要考慮氣體檢測室的小巧尺寸和氣體富集功能，因為柑橘的VOCs濃度較低。現有設計往往體積過大、便攜性差，且缺乏對氣流特性和傳感器響應的系統分析。關于便攜式或微型化氣體檢測室與快速響應相結合的研究仍然有限。
本研究的目標是設計一種緊湊型氣體檢測室，用于快速識別柑橘損傷。具體內容包括：（1）通過結合CFD仿真和實驗設計氣體檢測室并比較其性能；（2）通過結合CFD仿真和實驗優化理想氣體檢測室的結構；（3）驗證優化后的檢測室的可行性和有效性。
