材料微波加热的计算机模拟仿真研究

论文摘要

微波加热是通过微波渗透到材料内部使其产生体积升温的一种加热方式。具有加热速度快,效率高,加热系统容易控制的特点,尤其适合固体加热。但由于微波炉内电磁场与微波炉中介质的性质和温度有关,微波场中温度的测量和控制是微波应用领域的一个技术难题,同时也是微波应用中的一个重要研究课题。本论文主要利用计算机数值模拟研究微波炉内电磁场分布规律,研究腔体中的场分布对样品的放置位置、样品的温度场分布的影响,并研究了微波场中介质的介电特性,得出介质的复介电常数及复介电常数随温度的变化规律。研究结果表明,微波加热的均匀性取决于微波谐振腔内电磁场分布的均匀性。经计算机模拟矩形谐振腔TE101和圆柱形谐振腔TM010及球形谐振腔空腔内电磁场的分布,得出结论：TE101谐振模式比其他谐振模式下谐振腔内的电磁场分布更均匀,更容易实现对被加热物体的均匀加热；与圆柱形和球形谐振腔相比,矩形谐振腔更适合本微波加热系统。本文首次模拟研究了与实际微波炉相同的带馈口微波谐振腔模型,研究了加载不同介质(水及磷石膏)的电场强度和吸收功率,其内电磁场分布和谐振频率、品质因数、能量损耗等特性。同时,结合实验研究,利用多杯水法和淀粉法测试出实际微波炉内的电磁场分布,其结果与模拟吻合较好。本文还提出了模拟仿真加拟合的新方法以及微波炉体系的散热系数的一种新的求法,研究微波介质的介电特性。使用实验室自动测温系统以及改进的热电偶对微波谐振腔内的温度进行测量,较准确地测出加热物体的升温和降温,绘出曲线并用Origin软件拟合,结合微波炉加热水的模拟得到的电场强度,用热传导方程,可以得出加热介质的复介电常数及复介电常数随温度的变化。总之经本文研究表明,微波加热装置的工作特性、介质介电特性等皆可以用模拟仿真加拟合的方法进行研究,其结果吻合性较好。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 论文的研究背景
• 1.1.1 微波加热
• 1.1.2 有限元计算的理论与研究现状
• 1.1.3 材料的参数研究现状
• 1.2 微波加热系统研究存在的问题
• 1.3 课题的研究内容
• 第二章 实验设计
• 2.1 实验方案
• 2.2 实验方法
• 2.3 实验原料与设备
• 2.3.1 实验原料
• 2.3.2 实验设备
• 第三章 微波电磁场的模拟仿真研究
• 3.1 微波谐振腔及热分析介绍
• 3.1.1 微波谐振腔
• 3.1.2 热分析
• 3.1.3 谐振腔的基本性质
• 3.1.4 矩形谐振腔
• 3.1.5 圆柱形谐振腔
• 3.2 微波谐振腔的模拟研究
• 101矩形谐振腔模拟仿真'>3.2.1 主模TE₁₀₁矩形谐振腔模拟仿真
• 010圆柱形谐振腔的数值模拟'>3.2.2 主模TM₀₁₀圆柱形谐振腔的数值模拟
• 3.2.3 球形金属谐振腔的电磁特性研究
• 3.3 ANSYS仿真求解的可信度分析
• 3.4 本章结论
• 第四章 微波加热物料的数值模拟与实验研究
• 4.1 微波加热系统简介
• 4.1.1 微波谐振腔内的温度测量
• 4.1.2 实验自动测温系统
• 4.2 微波炉空腔的能量分布
• 4.2.1 多杯水法验证微波场分布
• 4.2.2 淀粉法验证微波内电磁场分布
• 4.3 微波炉加载水的研究
• 4.3.1 微波炉加载水的实验
• 4.3.2 模拟计算
• 4.3.3 结果与讨论
• 4.4 磷石膏的微波加热特性研究
• 4.4.1 微波加热磷石膏实验
• 4.4.2 磷石膏的加热模拟
• 4.4.3 结果与讨论
• 4.5 本章结论
• 第五章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 创新点
• 5.3 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录A 攻读学位期间发表论文情况