一种新型微波加热腔体多物理场耦合分析

本研究设计了一种新型固态微波功率源馈电的金属腔体加热装置.从电磁场与物质相互作用的物理机理出发,分析了被加热物体中电磁场,热场及流体场的耦合作用,并分别通过COMSOL Multiphysics和自己编写的时域有限差分算法程序建立数学模型对多物理场耦合进行了计算.最后,通过实验验证了数学模型的正确性及该腔体对微波吸收效率和加热均匀性的提升.该设计可应用于加热低损耗媒质.     

凹凸槽结构对圆柱形微波反应器加热效率及均匀性影响研究

提出在圆柱形微波反应器的腔体侧壁上引入圆形凹槽结构和凸槽结构改善微波反应器中的空间电磁场分布,提高微波加热效率和均匀性;利用HFSS软件仿真计算凹凸槽结构对圆柱形微波反应器加热效率和均匀性的影响,揭示凹凸槽结构参数对圆柱形微波反应器加热效率和场分布均匀性影响的基本规律.研究结果表明,凹凸槽结构参数对圆柱形微波反应器的加热效率和均匀性具有一定影响,凹凸槽结构能显著提高圆柱形微波反应器的加热效率和均匀性.     

微波多模腔金属边界移动对加热的影响研究

微波加热作为一种新型、高效的加热方法,在化学催化及材料处理等方面有着巨大的优势,但是微波加热的非均匀性限制了其在化工等行业中的大规模应用.本文设计了一种可移动金属壁的微波加热多模腔.在加热过程中,通过单向移动微波多模腔的金属壁,实现腔体内电场分布的不断改变,从而达到提高加热均匀性的目的.在仿真计算中,通过使用移动网格方法实现了整个加热过程的模拟计算.通过与离散位置的电场值和端口反射系数比较,验证了计算方法的准确性.通过比较被加热物质的温度变异系数(COV),可以看出移动金属壁的微波多模腔的加热均匀性相对于固定尺寸的多模腔的提高了近18%~38%.同时,本文分析了不同金属壁移动方式对加热效果的影响,提出可根据材料的属性和要求,计算选择理想的金属壁移动方式,获得更优的处理结果.     

多物理场耦合仿真对流在微波加热中的作用机理研究

微波炉加热水或者牛奶等液态食物时,在温度横向分布向不均匀的同时会出现比较明显的纵向不均匀,其特点是上部的温度高于底部温度,最终导致微波加热不充分.为了分析温度纵向不均匀性产生的作用机理,以进一步提高加热效果,本文使用了多物理场仿真软件,模拟了微波与常规电热器等底部加热方式加热一杯水时温度变化的情况.通过分析对流现象对电场与温度分布的影响,我们发现：由于微波加热的不均匀导致对流只发生在局部区域,无法形成类似于电热器底部加热方式中自下而上的对流,最终导致了温度分层的现象.     

沥青路面现场微波加热再生模型与实验

为了求解微波加热再生沥青混合料内的温度分布,研究了由于沥青混合料介电常数和比热容是温变参数,从而导致电磁场分布和吸收微波功率的非线性变化.建立了电磁场控制方程和热传递方程耦合的二维非线性热电耦合模型,提出了按微波周期为时间步长交替迭代求解该非线性模型的求解方法.使用了工作频率为2.45 GHz的微波系统,通过连续或间歇辐射加热方式,对不同体积的沥青混合料进行了加热实验.实验结果证实了微波加热再生通过辐射热传递能实现瞬间体积加热,具有快速、加热均匀、保证质量和无污染等特点.     

碳纤维石墨化专用微波矩形槽波导谐振腔的设计及数值模拟

微波作为一种碳纤维石墨化过程中的加热方式,对于实现碳纤维在径向和周向上的均匀石墨化具有潜在优势。由于电磁波在腔体内传递时能量分布有很大的不均匀性,首先针对微波加热腔体的形状和尺寸进行了设计;随后采用Ansys Electronics软件建立了加热碳纤维丝束的电磁加热-热辐射-流动传热模型,模拟了腔体内的电磁场和温度场;最后分析了走丝速度与保护气体流速对于腔内温度场分布的影响,结果表明：保护气体流速对加热过程中丝束能达到的最高温度影响较大,而走丝速度对最高温度的变化基本没有影响。本文研究对于碳纤维微波石墨化加热腔的研制具有较实际的指导意义。     

基于HFSS优化微波反应器去除废水中喹啉

微波化学反应器反应腔体形式能影响微波场在腔体内的分布,不同的微波分布形式会影响微波腔体内的温度分布均匀性,这种温度差异性造成了微波能量的浪费,从而将影响微波化学反应器对污染物的去除效果.从微波腔体形式方面考察了微波场在腔体中的分布,建立了矩形、八面体和圆柱体3种微波反应器反应腔体模型,利用HFSS专业电磁模拟软件进行仿真计算,讨论了不同的微波反应腔体对微波分布均匀性的影响,结果显示相对于矩形微波腔体和八面体微波腔体,微波在圆柱形反应腔体内的分布呈现规律性分布,即驻波均匀的分布在负载水的周围,这种分布会使得负载水中的电场分布更加均匀,并且这种趋势从矩形到八面体再到圆柱体腔体越来越明显.结合圆柱体微波腔体在实际制作中的困难,所以选择八面体微波腔体作为最佳的微波反应腔体形式.根据模拟结果对实验室现有的微波反应器进行了优化,并应用于喹啉降解实验,结果显示改造后反应装置对H2O2分解速率加快,对喹啉去除率提高了5.27%,对TOC去除率提高了4.15%.     

冰冻程度对微波加热的影响研究

介电系数会随着物质状态的变化而变化,这将导致微波在其中的传输与反射情况也随之变化,微波传输和反射的改变将影响微波在物体中的能量分布,改变加热效果.本文通过COMSOL仿真与实验的结合,探究冰冻对微波加热土豆的影响,实验测量与仿真结果吻合良好,验证了模型的合理性与准确性.通过仿真与实验结果可知,适当的冰冻不仅可以有效的提高微波加热的均匀性,还对研究微波的靶向性加热特性有一定的指导意义.     

随机运动导电粒子对微波腔内电场分布的影响

针对微波腔内不均匀电磁场导致的微波加热不均匀现象,利用金属对微波具有反射的特点,将导电粒子与运动物料相结合,研究了随机运动导电粒子对微波转筒干燥腔内电场分布的影响.利用EDEM与COMSOL软件将运动场与电磁场相耦合,模拟导电粒子的尺寸、数量以及随机运动方式对微波腔内电场分布的影响.结果表明:直径小于20,mm的导电粒子对电场的影响较小;自由随机运动的导电粒子因粒子集聚而恶化微波腔内的电场分布;固定间距的随机运动导电粒子可提高微波腔内的平均电场强度及电场分布的均匀性.     

活性炭微波加热制备装置的仿真设计

活性炭在石化、电力、化工、临床医疗、环保等多个行业中广泛应用,其市场需求量也与日俱增.研究表明,相对于传统方法,微波法制备的活性炭具有孔隙结构更发达,比表面积更大,孔隙结构分布更均匀等优势.然而,这些研究都局限于实验室层面,现有的微波加热装置普遍存在热点、热失控和加热效率低下等问题.这严重限制了微波能在活性炭工业制备中的大规模应用.针对上述问题,本文以国内大量存在的竹子为研究对象,提出了一种可用于活性炭制备的微波均匀加热装置设计方案.通过多物理场仿真计算,以原材料的受热均匀性及装置的能量馈入率为考核标准,采用参数扫描分析的方法对装置参数进行了优化,得到了S11参数为-26.81dB,温度场的变异系数为0.2834的加热装置.此外,本文还结合参数扫描过程以及不同算法的运用,验证了该仿真计算的鲁棒性和准确性.该文章的工作对当前的活性炭工业制备装置的设计具有重要指导意义.     

基于FDTD方法的电磁场均匀性研究

针对激励源的不同位置以及数量,用三维FDTD（时域有限差分）方法对矩形谐振腔内电磁场分布进行了模拟。本文采用余弦调制的高斯脉冲激励源,考虑了FDTD方法的Courant稳定性条件,以及空间离散间隔所产生的数值色散等情况。研究了不同情况下观察平面电磁场的均值、方差、能量衰减系数随迭代时间的变化,并引入了变异系数（COV）来评价电磁场分布的均匀性。研究表明：在腔体内部能量达到稳定状态后,单平面多馈口对电磁场的均匀性有较好改善作用。     

考虑磁控管不稳定性的微波徳拜介质加热

实际工作中的磁控管输出微波的功率,相位和频率均是不稳定的.本文采用有限元(FEM)计算方法,结合蛙跳技术首次模拟了考虑磁控管不稳定性时微波对矩形谐振腔中徳拜介质的加热.结果表明,磁控管的不稳定性会严重影响到微波对矩形谐振腔体中徳拜介质的加热,尤其是被加热的介质物理尺寸较小的时候这种影响更为明显.磁控管的不稳定性还会影响到微波加热的可重复性,因此在设计微波化学反应器,计算以磁控管作为微波源的微波加热时必须要考虑磁控管的不稳定性.本文建议在研究微波化学反应机理时采用稳定性更好的固态源.     

圆柱型谐振腔最大电磁能量耦合方法

利用微波谐振腔的谐振频率随腔内介质不同而变化这一特性可以实现液体、气体介电常数的精确测量,其中微波谐振腔与外波导的能量耦合程度将直接影响整个测试系统的性能和精度.根据电磁波在波导中的传播特性建立微波谐振腔的耦合模型.通过对谐振腔的耦合孔和波导耦合面电磁能量的仿真与分析,选择最佳匹配连接方式,使谐振腔有最大的电磁能量输出.仿真实验证明,连接波导中心与谐振腔耦合孔中心重合处不是电磁能量最大耦合位置,只有连接波导中心偏离谐振器耦合孔中心一定位置才能得到电磁能量的最大耦合.     

基于MATLAB的波导和谐振腔内能量传输仿真

利用MATLAB软件的图形技术对波导和谐振腔内的时变电磁场的能量传输三维空间分布进行仿真,将抽象的电磁场能量概念形象化、可视化,有利于对电磁波能量传播特性的理解。通过亥姆霍兹方程和导体表面边界条件,求出矩形波导和谐振腔内电磁场分布,然后求出坡印亭矢量分布。在此基础上,利用MATLAB对TE33波模进行仿真,可以清晰看出TE33模在沿波导的横截面只发生电磁能量交换,能量沿轴向方向传输;而在谐振腔中TE33模不仅在沿谐振腔横截面只发生电磁能量交换,在纵向也只有电磁能量相互转换。     

陶瓷材料微波加工用高均匀度多模谐振腔的研究

微波能作为一种新型能源,用于陶瓷材料的加工具有广阔的应用前景。如何改善微波加热时的均匀性,是实现微波加工陶瓷的关键技术之一。基于旋转场天线原理,建立了一种新型的多模谐振腔。采用了３ｄＢ桥及相互垂直的耦合孔,从而在谐振腔内形成旋转的电磁场,大大改善了加热均匀性。与频率２４５０ＭＨｚ、输出功率５ｋＷ的微波源相配合,建立的加热系统结构简单,加热特性优良,尤其适合于大尺寸陶瓷材料的微波加工。对Ａｌ２Ｏ３,ＺｒＯ２,Ｓｉ３Ｎ４等先进陶瓷成功地进行了烧结。     

Ka波段变容管调谐的波导耿氏振荡器的机助分析与设计(英文)

运用电磁场和电路分析方法确定了一种合理的纵向排列波导腔毫米波耿氏压控振荡器的等效电路模型,提出了分析其频率响应的方法,并利用计算机分析的结果,设计成功Ka波段波导腔变容管调谐的耿氏振荡器。     

用介质片加载时矩形波导内的场分布

论述了矩形波导中部分充填介质片时的情况,这导致在波导内无负载的自由空间中产生平面波型的TEM场.用射线法分析推导了介质片非对称加载矩形波导中的场分布,并与时域有限差分法的计算作了比较.给出了场分布的三维曲面图形.讨论了用此法建立TEM场区的应用与研究前景.