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多模微波加熱器的建模與仿真
作者:發布時間:2013-10-29 17:19:55點擊率:4309
作者:孫鵬,楊晶晶,黃銘,余江,朱書燈
1云南大學信息學院,昆明650091;
2昆明理工大學材料與冶金工程學院,昆明650093;
3昆明金匯通無線與微波技術研究所,昆明650091

摘要:利用有限元分析軟件COMSOL Multiphysics仿真了饋口位里、樣品大小、樣品位里和多債口激勵對微波加熱效率的影響,并與文獻報道的實驗結果進行了比較。研究表明,饋口位置、樣品大小和樣品位置對微波吸收效率有較大的影響;多饋口激勵時微波加熱的均勻性得到了改善。

關鍵詞:多模腔  微波加熱  有限元法

0引言
自1947年美國雷聲公司發明微波爐以來,微波技術更廣闊的應用空間被打開。尤其是近年來,微波在化學和冶金中的應用引起了人們的極大興趣。然而,由于機理研究滯后,缺乏高性能的專用微波化學反應器和微波冶金反應器,限制了其產業化進程。因此,如何突破這些瓶頸,是近年研究的熱點。
由于多模微波加熱器的熱效率和加熱均勻性與饋口位置、被處理樣品電磁特性、形狀、轉盤、攪拌器和材料位置等因素有關,理論分析、數值模擬和實驗研究極其復雜。國內外雖然有許多學者研究過上述問題,例如:Geedipalli等利用有限元分析軟件ANSYS仿真了轉盤對微波加熱均勻性的影響;Plaza-Gonzalez等用FEM方法分析了攪拌器位置對二維微波加熱器場分布的影響;Knoerzer等用Quick-Wave3D軟件模擬了微波加熱的均勻性,并用磁諧振成像技術證實了仿真結果;Shou-Zheng等用解析方法從理論上研究了矩形微波加熱器內多層介質中的功率分布;Nott等用MRI技術和光纖測溫法測量了微波爐內樣品的溫度分布;Pandit等用計算機可視系統研究了微波消毒處理過程中食品內的冷點和熱點分布;Pedreno-Monlina等基于自動溫度測量設備尋找到了微波爐內被處理材料的最佳位置;Sundberg等用FDTD方法和FDTD-FEM方法模擬了微波加熱過程,但目前仍有許多問題尚待解決。本文采用COMSOLMultiphysics軟件仿真了饋口位置、樣品大小和樣品位置對微波加熱效率的影響,以及多饋口激勵對改善微波加熱均勻性的作用。

1多模微波加熱器模型
多模微波加熱器模型見圖1所示,圖中腔體尺寸為290mm x 285mm x 200mm ,饋口在模型的右側,位于x =290mm的平面上,其尺寸和中心坐標分別為109.2mm x54.6mm和( 290mm ,107.34mm , 41.84mm );樣品形狀為正立方體(25mm x25mm x25mm),位于:=30mm的平面上,其中心坐標為(145mm ,142.5mm , 42.5mm);饋口的激勵頻率為2450MHz ,功率為SOOW。樣品的相對復介電常數為50-1 Sj,熱傳導率為0.4W/(m.K),密度為1000kg/m3,初始溫度為20℃.
聯合求解有源邊界條件下的Mawell方程組和熱傳導方程,即可計算上述模型的電磁場分布、溫度分布、微波加熱效率和微波加熱均勻性,詳細的論述見參考文獻

2仿真結果與討論
2.1饋口位t對微波加熱效率的影響
為了研究饋口位置對微波加熱效率的影響,仿真饋口位于x=290mm的平面上121個不同位置時樣品吸收功率的百分比。仿真時,首先建立模型,并設置饋口中心位置((290mm,54.6mm, 27.3mm )、激勵頻率(24501v1}Iz)和功率(SOOW)等參數,然后進行網格劃分和求解,最后在后處理中得到饋口的電壓反射系數,并由此計算出微波加熱效率。類似的,沿Y軸以17.58mm為步長平行移動10次;沿z軸以14.54mm為步長平行移動10次,在整個平面上即可計算得到121個饋口位置的微波加熱效率。計算結果表明.饋口位置不同時,微波加熱效率以y=142.5mm平面為對稱面,并且最大微波加熱效率約為70,其位置為(290mm,107.34mm,41.84mm)和(290mm,177.66mm,41.84mm ) o饋口寬邊平行于z軸移動也可得到類似的結果。

2.2樣品大小對微波加熱效率的影響
當樣品體積增大時,微波加熱效率的變化見表1。從表1可以看出,樣品體積越大,則微波加熱效率越高。由于受計算機內存和處理速度的限制,本文尚未涉及更大樣品的微波加熱效率計算問題。
2.3樣品位置對微波加熱效率的影響
為計算樣品處于不同位置時的微波加熱效率,本文設置樣品初始位置的中心坐標為(22.Smm,22.5mm,42.5mm ),在Z=
42.Smm的平面上樣品沿x和Y軸以30~為步長,分別移動8次,在整個平面上即可計算得到81個不同位置的微波加熱效率。計算結果表明,當樣品中心坐標為(142.5mm, 82.Smm,42.Smm)時,最大微波加熱效率達99。

2.4多饋口激勵對微波加熱均勻性的影響
本文比較了單饋口、雙饋口和三饋口激勵時,多模腔內場分布及樣品內的溫度分布,其結果分別見圖2和圖3。圖2為微波爐內Z=42.5mm平面上的電場分布。(a)單饋口激勵,微波功率為SOOW( b )雙饋口激勵,每個饋口微波功率為250W,最小電場為0 V/m,最大為1.55x100V/m; (c)三饋口激勵,每個饋口的微波功率為166.7W,最小電場為0 V/m,最大為1.26x 10'V/m。圖3為微波爐內樣品上表面的溫度分布。(a)為單饋口激勵;(b)為雙饋口激勵;(c)為三饋口激勵。從圖中可以看出,多饋口激勵時,多模腔內的場分布和樣品內溫度分布的均勻性都得到改善。為了定量研究樣品內溫度分布的均勻性,本文計算了多饋口激勵條件下樣品內最高溫度、最低溫度,和平均溫度,并根據公式Uni=T最高一T最低)/T平均,計算了樣品內溫度分布的均勻性,結果表明,單饋口、雙饋口和三饋口激勵時Uni分別等于67% ,18.9%,11%,即多饋口激勵條件下樣品內的溫度分布均勻性得到了極大改善。

2.5仿真結果的驗證
為了驗證以上仿真結果的有效性,本文仿真了文獻中報道的實驗結果,仿真條件如下:饋口中心坐標(600mm, 300mm,
300mm);饋口尺寸86.36mmx43.18mm;樣品中心坐標(xmm,300mm,300mm),計算時樣品平行于x軸移動。仿真值與實驗結果的比較見圖4所示。由圖可見,仿真值與實驗結果的變化趨勢基本吻合。


3結論
多模微波加熱器中,微波加熱效率與饋口位置、樣品大小和樣品位置有關;多饋口激勵能改善微波加熱的均勻性;針對文獻報道的實驗結果,初步證實了本文仿真微波加熱效率結果的有效性,進一步的研究成果待發表。



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