水合物樣品制備用微波加熱裝置的設(shè)計與仿真分析

李莉佳　姚佳琪　王紅巖　羅永江

摘要：Christine Ecker博士提出懸浮態(tài)水合物的概念后，在學(xué)術(shù)界得到了廣泛的引用，但是至今并沒有確鑿的野外觀測證據(jù)和室內(nèi)實(shí)驗(yàn)證明。羅永江等人提出了采用微波加熱的方法在實(shí)驗(yàn)室制取懸浮態(tài)水合物樣品的方法。文章介紹了采用微波加熱方法制取懸浮態(tài)水合物所需的微波加熱裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計及采用HFSS軟件對裝置加熱均勻性的數(shù)值仿真與試驗(yàn)研究。

關(guān)鍵詞：懸浮態(tài)水合物；微波加熱裝置；HFSS仿真

中圖分類號：TE81 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-2374（2013）20-0022-04

隨著經(jīng)濟(jì)社會的高速發(fā)展，人類對能源資源的依賴程度急劇加大，但常規(guī)化石能源的已探明儲量與社會需求量存在較大差距，能源危機(jī)深入人心。在世界各國相繼投入新能源和可再生能源的開發(fā)與利用研究中，天然氣水合物因其具有儲量大、能量密度高、清潔無污染而受到各國的重視，并開展了大量的基礎(chǔ)理論研究與勘探開發(fā)工作。但由于天然氣水合物對儲層條件的特殊要求和對水合物儲存地層的不完全研究，對天然氣水合物的開發(fā)利用尚處于初級階段。因此，要安全、高效地開發(fā)利用天然水合物能源資源，還需進(jìn)行大量相關(guān)領(lǐng)域的研究工作。

1998年，Stanford University的Christine Ecker在其博士論文中提出天然氣水合物在地層中賦存的三種狀態(tài)模型，即懸浮態(tài)、接觸態(tài)、膠結(jié)態(tài)模型，并建立了三種模型中彈性波速與水合物飽和度等參數(shù)之間關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式，并得到學(xué)術(shù)界廣泛認(rèn)可和引用，但是至今并沒有確鑿的野外觀測證據(jù)和室內(nèi)實(shí)驗(yàn)證明。羅永江等人提出了采用微波加熱法作為制備懸浮態(tài)水合物樣品的前期處理手段，利用微波加熱具有高效性、穿透性和選擇性的特點(diǎn)，在多孔介質(zhì)孔隙中制備均勻分布的冰顆粒。因此，微波加熱裝置是該方法中的關(guān)鍵設(shè)備。本文介紹了專門設(shè)計用于懸浮態(tài)水合物樣品制備的微波加熱裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計，并采用HFSS高頻仿真軟對微波加熱裝置中樣品內(nèi)電磁場分布進(jìn)行了探索，最后采用試驗(yàn)方法研究了微波裝置對樣品加熱均勻性情況。

1 微波加熱裝置結(jié)構(gòu)

采用微波加熱的方法制取在多孔介質(zhì)中具有孔隙冰分布的樣品要求主要有兩點(diǎn)，分別是快速加熱和均勻加熱?？焖偌訜嵋笪⒉訜嵫b置具有足夠的功率，使加熱樣品的時間較短，因?yàn)樵诙虝r間內(nèi)加熱樣品，由熱傳遞導(dǎo)致的熱量擴(kuò)散較小，可以比較準(zhǔn)確地控制樣品內(nèi)化冰的量；均勻加熱可以使樣品內(nèi)冰顆粒的分布較為均勻，是提出該思路根本目的?？疾飕F(xiàn)有的各類微波加熱裝置中，微波加熱的均勻性仍是一個業(yè)界的難題，科研人員投入了大量的精力用于解決該問題。在考察了現(xiàn)有國內(nèi)外各類微波加熱裝置后認(rèn)為，現(xiàn)有的微波加熱裝置不能滿足本次試驗(yàn)要求，需研制適合本試驗(yàn)需求的微波加熱裝置。

所設(shè)計的微波加熱系統(tǒng)主要由電源供電系統(tǒng)，微波發(fā)生器，微波傳輸系統(tǒng)、饋口調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和微波防護(hù)裝置組成。電源供電系統(tǒng)主要由變壓器和高壓電容組成，為系統(tǒng)提供穩(wěn)定高壓電源；微波發(fā)生器是產(chǎn)生連續(xù)微波源的部件；微波傳輸系統(tǒng)可將微波發(fā)生器產(chǎn)生的微波能傳導(dǎo)至加熱材料處；磁控管調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)用于調(diào)節(jié)各磁控管的相對位置和波導(dǎo)口與樣品之間的距離，調(diào)節(jié)樣品內(nèi)部電場分布；微波防護(hù)裝置采用吸波材料吸收裝置泄露的微波能，防止微波泄漏對試驗(yàn)人員造成傷害。

1.水平軌道；2.磁控管固定架；3.豎直軌道；4.定位螺釘；5.豎直定位塊；6.定位螺釘；7.軌道連接塊；8.水平滑塊；9.水平軌道；10.底板

圖1 磁控管調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)滑道示意圖

圖1是磁控管調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)滑道示意圖，調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)由水平滑道和豎直滑道組成，磁控管固定在固定架上，能夠?qū)崿F(xiàn)水平方向距樣品管距離的調(diào)節(jié)和豎直方向磁控管之間相對位置的調(diào)節(jié)功能。圖2是微波加熱裝置實(shí)物照片。裝置由6套調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)呈圓周布置，被加熱樣品放置于圓心位置的轉(zhuǎn)盤上，由一低速交流電機(jī)以同一速度旋轉(zhuǎn)加熱，使樣品加熱均勻性更好。試驗(yàn)過程中，可通過調(diào)節(jié)波導(dǎo)口距樣品管的距離與磁控管之間的相對位置和工作的磁控管數(shù)量來調(diào)節(jié)樣品內(nèi)電場分布，改善樣品加熱均勻性。

圖2 磁控管可調(diào)行波加熱裝置

2 HFSS模擬分析與試驗(yàn)研究

2.1 數(shù)值模型

HFSS是由Ansoft公司推出的一款全波三維電磁場仿真軟件，軟件采用的是有限元法，具有較高的計算精度，被認(rèn)為是高頻電磁場分析和設(shè)計的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。HFSS用戶界面簡潔，具有較精確的自適應(yīng)場求解器和強(qiáng)大的電磁場后處理器，被廣泛用于射頻和微波器件設(shè)計，電真空器件設(shè)計，天線、天線罩及天線陣設(shè)計仿真，高速互連結(jié)構(gòu)設(shè)計，光電器件仿真設(shè)計等高頻電磁場的分析設(shè)計中?？捎嬎泔@示電壓駐波比、傳播常數(shù)和端口阻抗、S、Y、Z等參數(shù)矩陣、電磁場場強(qiáng)分布和電流分布等參數(shù)。論文采用HFSS軟件對樣品內(nèi)電場分布情況進(jìn)行了可視化仿真分析。

圖3 6個磁控管工作數(shù)值模型

分析變量為同時工作磁控管數(shù)量n和波導(dǎo)口距樣品管距離d以及磁控管不同排列方式k。根據(jù)實(shí)際微波加熱裝置情況，設(shè)定磁控管數(shù)量n分別為6個、7個、8個、9個，波導(dǎo)口距樣品管距離d分別為0cm、3cm、6cm、9cm、12cm，當(dāng)n=6時，k有三種排列方式，n=7和n=8時有兩種排列方式，n=9時有1種排列方式，各類不同排列情況如圖4所示。因此，三個參數(shù)的排列組合總共有40個數(shù)值模型。

圖4 不同磁控管排列方式

2.2 數(shù)值模擬結(jié)論

圖5 n=6時樣品內(nèi)電場分布云圖

數(shù)值模型網(wǎng)格劃分采用HFSS自適應(yīng)網(wǎng)格劃分，激勵頻率為2.45GHz，單個激勵功率為1.5kW。在微波加熱過程中，樣品內(nèi)的電場分布情況可以間接反映樣品加熱時溫度分布情況，樣品內(nèi)電場強(qiáng)度與可轉(zhuǎn)化能量之間的關(guān)系為：

P=2πε0εE2ftanδ

式中：

ε0——真空介電常數(shù)

ε——材料的相對介電常數(shù)

δ——材料的正確損耗角

圖5是模擬6個磁控管對樣品進(jìn)行加熱時，不同磁控管排布方式和不同波導(dǎo)口距樣品管距離情況下，樣品內(nèi)的電場分布情況。由圖5可知：

（1）在一類排布情況下，樣品中心電場強(qiáng)度高于周圍電場強(qiáng)度。波導(dǎo)口距樣品管樣品0cm時，強(qiáng)電場集中點(diǎn)分布于整個樣品內(nèi)；在距離為3cm時，頂端和底部電場較強(qiáng)，其中最強(qiáng)電場出現(xiàn)在下端部分，中偏上部分電場較弱；在5個距離參數(shù)中，9cm時強(qiáng)電場集中點(diǎn)較少，電場分布相對比較均勻。

（2）采用二類排布方式時，波導(dǎo)口距樣品管6cm情況下電場分布最均勻，并且樣品內(nèi)最大電場強(qiáng)度最小，因此，可以斷定在該條件下加熱樣品時，樣品內(nèi)溫度分布均勻性應(yīng)該比較好；在距離為0cm時電場分布最不均勻，強(qiáng)電場集中點(diǎn)主要出現(xiàn)在樣品中下部區(qū)域。

（3）在波導(dǎo)口距樣品管樣品3cm、6cm和9cm時樣品內(nèi)電場分布相對比較均勻，尤其是在9cm情況下，最大電場強(qiáng)度值最小，因此可預(yù)測在該種情況下樣品，對樣品進(jìn)行加熱樣品內(nèi)溫度分布均勻性相對其他4種情況較好；在距離為0cm時，強(qiáng)電場區(qū)域主要集中在樣品的中心軸線上；在距離為12cm時，強(qiáng)電場區(qū)域主要集中在樣品頂部中心處。

圖6是模擬7個磁控管對樣品進(jìn)行加熱時，不同磁控管排布方式和不同波導(dǎo)口距樣品管距離情況下，樣品內(nèi)的電場分布情況。由圖6可知：

圖6 n=7時樣品內(nèi)電場分布云圖

（1）在一類排列方式時，5種距離情況下，樣品中心電場強(qiáng)度均高于樣品周圍；波導(dǎo)口距樣品管12cm時，樣品內(nèi)部強(qiáng)場集中點(diǎn)較少且基本集中在中心軸線上；在距離0cm和3cm時，樣品上部強(qiáng)電場區(qū)域較為集中；6cm時樣品內(nèi)電場分布相較于其他距離較為均勻。

（2）在二類排列方式時，除距離為6cm出現(xiàn)電場高于其他排布時，隨著距離的增加，樣品內(nèi)電場強(qiáng)度減小，樣品內(nèi)電場分布趨于均勻，整體呈現(xiàn)中心區(qū)域場強(qiáng)大于周圍；距離為3cm時，樣品上部電場強(qiáng)度較高，可預(yù)測在加熱時，上部溫度可能較高；從云圖分布來看，在距離為9cm和12cm時，樣品內(nèi)部電場強(qiáng)度分布相對比較均勻。

圖7是模擬8個磁控管對樣品進(jìn)行加熱時，不同磁控管排布方式和不同波導(dǎo)口距樣品管距離情況下，樣品內(nèi)的電場分布情況。由圖7可知：

圖7 n=8時樣品內(nèi)電場分布云圖

（1）在一類排布時，波導(dǎo)口距樣品管距離為6cm時，樣品內(nèi)場強(qiáng)較小，強(qiáng)電場集中區(qū)域較少，可預(yù)測在該距離下加熱樣品時，樣品內(nèi)溫度分布比較均勻。

（2）在二類排布時，樣品在6cm和9cm時內(nèi)部電場分布均勻性比較差；在12cm時分布均勻性較好；在距離0cm時，樣品內(nèi)電場場強(qiáng)較小；在該距離下加熱樣品可能出現(xiàn)升溫速率較慢的問題。

圖8是模擬9個磁控管對樣品進(jìn)行加熱時，不同磁控管排布方式和不同波導(dǎo)口距樣品管距離情況下，樣品內(nèi)的電場分布情況。由圖8可知：在距離3cm時，樣品下部中心軸線上出現(xiàn)強(qiáng)場區(qū)域，可預(yù)知在該條件下，樣品下部中心溫度高于上部溫度；在距離9cm時，樣品內(nèi)電場分布比較均勻，但相比較于12cm時的云圖，9cm時整體電場強(qiáng)度較大，所以，在采用九磁控管加熱時可能在12cm情況下溫度分布均勻性好于9cm。

圖8 n=9時樣品內(nèi)電場分布云圖

3 結(jié)語

通過采用高頻電磁場仿真軟件HFSS對使用所設(shè)計的微波加熱裝對樣品進(jìn)行加熱時樣品內(nèi)的電場分布情況進(jìn)行了模擬仿真分析，分析表明：

（1）通過調(diào)節(jié)波導(dǎo)口距樣品管的距離和磁控管的排列方式可以調(diào)整樣品內(nèi)電場分布情況，適當(dāng)?shù)木嚯x和樸烈方式情況下可得到較均勻的電場分布。

（2）采用所涉及的微波加熱裝置對樣品進(jìn)行加熱時，如樣品采用單一吸波材料情況下，樣品中心溫度高于樣品周圍溫度。

參考文獻(xiàn)

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作者簡介：李莉佳（1991—），女，黑龍江大慶人，吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院本科學(xué)生，研究方向：勘查技術(shù)與工程。