Основы моделирования СВЧ-нагрева

20/05/2014

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


Комментарии (0)

Оставить комментарий
Войти | Регистрация
Загрузка...
РУБРИКАТОР БЛОГА COMSOL
РУБРИКИ
ТЕГИ