Основы моделирования СВЧ-нагрева

Fanny Griesmer 20/05/2014
Share this on Facebook Share this on Twitter Share this on LinkedIn

Для наших вебинаров мы разработали специальный тестовый пример, наглядно и просто объясняющий эффект нагрева под действием СВЧ-излучения. В данной заметке он снова послужит нам для краткого введения и пояснения принципов моделирования микроволного нагрева.

Краткое описание процесса нагрева СВЧ-излучением

СВЧ-нагрев происходит при преобразовании энергии электромагнитного поля в тепловую энергию. Существует два принципиально различных механизма этого процесса: индукционный и диэлектрический. Индукционный механизм имеет место в материалах с высокой электропроводностью, таких как, к примеру, медь или другие металлы. Под воздействием переменного электромагнитного поля, в таких материалах, индуцируются вихревые токи и нагрев происходит за счет резистивных потерь. С другой стороны, диэлектрический механизм нагрева реализуется — как вы уже догадались — в непроводящих материалах. В переменном электромагнитном поле полярные молекулы диэлектрика стремятся переориентироваться вдоль вектора напряженности электрического поля в волне, причем делают это многократно с частотой внешнего воздействия. В условиях плотного окружения они вынуждены преодолевать сопротивление соседей, что приводит к трению, которое и вызывает нагрев.

Пример, который мы сегодня рассмотрим, включает в себя как индукционный, так и диэлектрический механизмы нагрева.

Изогнутый волновод, нагреваемый микроволновым излучением

Чтобы изменить направление микроволнового излучения, проходящего через волновод, к нему добавляют изогнутую секцию. Если изогнутую секцию разместить между двумя прямыми, прямоугольными волноводами, то общая конструкция будет выглядеть следующим образом:

Модель изогутого алюминиевого волновода с медным покрытием и блоком диэлектрического материала, помещенного внутрь тракта
Схематичное изображение алюминиевого волновода с изгибом. Верхняя часть волновода намеренно не показана, чтобы продемонстрировать его внутреннее строение и, в частности, блок из диэлектрического материала, размещенный в волноводном тракте.

Как видите, наш конкретный пример волновода включает в себя не только поворотную секцию, но и диэлектрический блок с потерями (изолятор). Такая ситуация может показаться несколько надуманной; в действительности, на выходе из волновода у вас может находиться тюнер или резонатор или что-нибудь другое. Блок диэлектрика в нашем примере, это всего лишь простейший способ демонстрации принципа моделирования микроволнового (или СВЧ) нагрева.

Основы настройки модели и обсуждение результатов

Электромагнитные волны заводятся в тракт волновода через один из торцов (в нашем случае — это наиболее удаленный от диэлектрического блока вход) от источника излучения мощностью 100 ватт. Частота излучения составляет 10 ГГц, э/м волны распространяются вдоль прямоугольного волновода, разворачиваются в поворотной секции, и вступают во взаимодействие с изолятором, прежде чем покинуть волновод через другой торец.

Примечание: Расчеты в нашей модели выполняются в предположении идеально согласованного волновода.

Мы хотим выяснить, как стенки волновода и блок диэлектрика разогреваются с течением времени.

Эту задачу можно решить в два этапа, используя среду COMSOL Multiphysics и модуль Радиочастоты. Разделим задачу на две части:

  1. Электромагнитная задача
  2. Тепловая задача

Обратимся сразу к результатам такого моделирования.

Посмотрим на то, как происходит нагрев волновода после включения источника питания.

Одномерный график зависимости температуры волновода от времени после включения источника питания

Далее, исследуем электромагнитные поля и температуру в установившемся режиме после достижения конструкцией состояния теплового равновесия. Выбрав пункт меню “Вид” (“View”) в Построителе Моделей (Model Builder), мы можем скрыть некоторые геометрические детали объектов. “Убрав” два верхних слоя волновода, мы получим более четкую картину того, что происходит внутри:

В разрезе внутреннего строения волновода можно увидеть распределение температуры диэлектрического блока, электрические и магнитные поля, а также плотность потока энергии
Внутреннее строение волновода: показаны распределение температуры диэлектрического блока, а также электрическое (красные стрелки) и магнитное (зеленые стрелки) поля и плотность потока энергии (синие стрелки).

Ниже приведено увеличенное изображение электромагнитных полей и диэлектрического блока:

Увеличенное изображение распределения температуры в диэлектрическом блоке. Также показаны плотность потока энергии с магнитными и электрическими полями.

Кроме этого, можно также исследовать распределение электромагнитных полей до и после нагревания.

Перед нагреванием:

График полученный в среде COMSOL Multiphysics, который показывает электромагнитные поля в волноводе до начала нагрева

Материальные свойства диэлектрика являются функциями температуры, поэтому при нагреве его взаимодействие с электромагнитным полем изменится. На рисунке ниже, показаны потери тангенциальной составляющей электромагнитного поля в материале блока для установившегося режима. Неоднородность тангенса угла потерь является следствием неравномерного распределения температуры.

График с иллюстрацией тангенца угла потерь в диэлектрическом блоке

Узнайте, как построить эту модель

Вы можете выполнить моделирование СВЧ-нагрева с помощью среды COMSOL Multiphysics и Модуля Радиочастоты. Рассмотренную модель можно загрузить либо через программное обеспечение (из Библиотеки RF Model Library, раздел “Microwave Heating”) или из Галереи моделей и приложений.

Примечение: Модель загружается с предустановленной конфигурацией параметров и настроек (геометрия волновода, конечно-элементная сетка, выборки материалов и др.). Дополнительно к модели идет пошаговая инструкция по сборке, но если вы загрузите готовую модель, то достаточно будет просто запусить ее на расчет.

Архивный вебинар по СВЧ-моделированию


Загрузка комментариев...

Темы публикаций


Теги

3D печать Cерия "Гибридное моделирование" Введение в среду разработки приложений Видео Волновые электромагнитные процессы Глазами пользователя Графен Интернет вещей Кластеры Моделирование высокочастотных электромагнитных явлений на различных пространственных масштабах Модуль AC/DC Модуль MEMS Модуль Акустика Модуль Волновая оптика Модуль Вычислительная гидродинамика Модуль Геометрическая оптика Модуль Динамика многих тел Модуль Композитные материалы Модуль Коррозия Модуль Механика конструкций Модуль Миксер Модуль Нелинейные конструкционные материалы Модуль Оптимизация Модуль Плазма Модуль Полупроводники Модуль Радиочастоты Модуль Роторная динамика Модуль Теплопередача Модуль Течение в трубопроводах Модуль Химические реакции Модуль Электрохимия Модуль аккумуляторов и топливных элементов Охлаждение испарением Пищевые технологии Рубрика Решатели Серия "Геотермальная энергия" Серия "Конструкционные материалы" Серия "Электрические машины" Серия “Моделирование зубчатых передач” Сертифицированные консультанты Технический контент Указания по применению физика спорта