高功率矩形微波反應(yīng)器加載圓柱形負(fù)載的仿真優(yōu)化*

楊繼孔， 鄭勤紅， 曹湘琪， 徐鵬， 鐘小青， 姚斌， 鐘汝能

(云南師范大學(xué) 物理與電子信息學(xué)院，云南 昆明 650500)

微波爐發(fā)明之后，微波加熱已廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)和生活中[1].微波的有效利用率一直是微波加熱技術(shù)的重要指標(biāo)，為提高微波加熱效率，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者做了大量研究.Geedipallia等利用ANSYS仿真了轉(zhuǎn)盤(pán)對(duì)微波加熱均勻性的影響[2]；雷文強(qiáng)等利用Microwave Studio進(jìn)行建模仿真，將仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，從微波反射角度分析了負(fù)載尺寸對(duì)微波加熱效率的影響[3]；王維等利用ANSYS設(shè)計(jì)了一個(gè)圓柱形微波加熱器，并分析微波加熱器波導(dǎo)數(shù)量、饋口位置對(duì)電場(chǎng)分布的影響[4]；孫鵬等利用COMSOL Multiphysics仿真了饋口位置、樣品大小、樣品位置和多饋口激勵(lì)對(duì)微波加熱效率的影響[5]；Monzó-Cabrera等利用反饋控制實(shí)驗(yàn)研究了樣品位置對(duì)微波的加熱效率的影響[6]；李承躍等利用HFSS 11設(shè)計(jì)了一種新型六角微波諧振腔，研究了饋口位置及諧振腔的高度對(duì)微波加熱均勻性的影響[7]；姚斌等利用HFSS 11研究了矩形微波反應(yīng)器加載矩形粉煤灰負(fù)載時(shí)饋口位置和長(zhǎng)度、負(fù)載尺寸對(duì)微波加熱效率的影響[8].上述研究主要針對(duì)某個(gè)具體問(wèn)題研究其微波加熱效率，本文將用不同的負(fù)載材料，對(duì)高功率矩形微波反應(yīng)器加熱效率建模仿真，獲得加熱效率優(yōu)化的普適結(jié)論.

本模擬實(shí)驗(yàn)利用高頻電磁仿真軟件HFSS 13進(jìn)行建模，仿真饋口夾角對(duì)高功率矩形微波反應(yīng)器加熱效率的影響，選擇最優(yōu)角度，再對(duì)饋口距離、負(fù)載尺寸、位置等參數(shù)進(jìn)行逐個(gè)仿真，在仿真結(jié)果的基礎(chǔ)上，分析總結(jié)出一系列可用于改善微波加熱效率的結(jié)論，有助于高功率微波加熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì).

1 高功率矩形微波反應(yīng)器模型

圖1為本文所仿真的高功率矩形微波反應(yīng)器，腔體尺寸為400 mm×370 mm×240 mm，負(fù)載為圓柱體，R=150 mm，h=100 cm，饋口尺寸為84 mm×58.6 mm×60 mm，饋口激勵(lì)頻率為2.45 GHz，功率為2 000 W，腔內(nèi)所加負(fù)載材料分別為粉煤灰(ε′=2.5，tanσ=0.025)和玻璃(ε′=4.9，tanσ=0.006).利用高頻電磁仿真軟件HFSS 13求解腔體內(nèi)電磁場(chǎng)分布，負(fù)載對(duì)微波的吸收效率可根據(jù)η=1-(power11+power22)/2-power21計(jì)算得出.

圖1 高功率矩形微波反應(yīng)器模型圖

2 粉煤灰材料負(fù)載仿真結(jié)果

2.1 反射功率隨饋口夾角θ的變化

取R=150 mm，h=100 mm，H=40 mm，d=60 mm，饋口反射功率隨饋口夾角θ的變化規(guī)律如圖2所示.當(dāng)θ≥50°時(shí)，兩饋口不再相交，此時(shí)開(kāi)始計(jì)算.計(jì)算結(jié)果顯示，θ=90°和θ=140°時(shí)饋口間的反射功率出現(xiàn)極大值，在高功率矩形微波反應(yīng)器設(shè)計(jì)時(shí)為提高微波加熱效率應(yīng)避開(kāi)此角度；饋口夾角150°≤θ≤180°時(shí)，饋口本身的反射功率均不超過(guò)1%，饋口間的耦合功率逐漸增大，θ=180°時(shí)出現(xiàn)極大值，過(guò)量的電磁波返回磁控管，會(huì)使磁控管工作惡化，嚴(yán)重時(shí)可能致使磁控管燒毀.為提高負(fù)載對(duì)微波的吸收效率，同時(shí)保證返回磁控管的電磁波量較少，饋口夾角可選擇θ=160°.

圖2 饋口及饋口間反射功率隨夾角變化

2.2 反射功率隨饋口距離d的變化

取θ=160°，h=100 mm，H=40 mm，饋口反射功率隨饋口距離d變化規(guī)律如圖3所示.當(dāng)0 mm

圖3 饋口及饋口間反射功率隨d的變化

2.3 反射功率隨負(fù)載厚度h的變化

取θ=160°，d=56 mm，H=40 mm，饋口反射功率隨負(fù)載厚度h的變化規(guī)律如圖4所示.當(dāng)h=20 mm時(shí)，饋口本身及饋口間的反射功率均獲得極小值，電磁波在粉煤灰中的有效波長(zhǎng)為λef=77.4 mm，比較可得，h約為λef/4時(shí)，饋口本身及饋口間的耦合功率獲得極小值；當(dāng)h>2λef時(shí)負(fù)載厚度對(duì)微波吸收效率影響較小.

圖4 饋口及饋口間反射功率隨h的變化

2.4 反射功率隨負(fù)載距腔體底面距離H的變化

圖5 饋口及饋口間反射功率隨H的變化

2.5 優(yōu)化后的加熱效率

取各優(yōu)化后的參數(shù)(θ=160°，d=46 mm，h=100 mm，H=56 mm)重新進(jìn)行建模仿真.圖6為優(yōu)化后頻率在2.40～2.50 GHz范圍內(nèi)饋口的反射功率隨頻率的變化圖.選取工作頻帶寬度Δf=50 MHz，優(yōu)化后負(fù)載在頻率為2.425～2.475 GHz范圍內(nèi)平均吸收效率為96.3%，頻率為2.46 GHz時(shí)微波吸收效率高達(dá)99%，中心頻率2.45 GHz時(shí)效率為98.5%.

圖6 饋口及饋口間反射功率隨頻率變化

3 玻璃材料加熱效率

按照優(yōu)化加載粉煤灰時(shí)的優(yōu)化方法對(duì)加載圓柱形玻璃材料負(fù)載的矩形微波反應(yīng)器進(jìn)行仿真優(yōu)化，獲得最優(yōu)化參數(shù)為θ=154°，d=50 mm，h=101 mm，H=40 mm，在此參數(shù)下的各饋口的反射功率如圖7.結(jié)果顯示，在頻率為2.425～2.475 GHz范圍內(nèi)玻璃負(fù)載對(duì)微波的平均吸收效率為94.7%；中心頻率2.45 GHz時(shí)的吸收效率可達(dá)95.3%.

圖7 饋口及饋口間反射功率隨頻率變化

4 結(jié) 論

參 考 文 獻(xiàn):

[1] OSEPCHUK J M.A history of microwave heating applications[J].IEEE Trans.Microwave Theory and Techniques，1984，32(9)：1200-1224.

[2] GEEDIPALLI S S R，RAKESH A V， DATTA A K.Modeling the heating uniformity contributed by a rotating turntable in microwave ovens[J].Food Engineering，2007，82(3)：359-368.

[3] 雷文強(qiáng)，曾葆青，張海.微波爐腔體阻抗匹配的計(jì)算機(jī)模擬[C].成都：第十二屆全國(guó)微波能應(yīng)用學(xué)術(shù)會(huì)議，2005：70-74.

[4] 王維，孫以澤.纖維改性設(shè)備中微波加熱器波導(dǎo)分布對(duì)電場(chǎng)的影響[J].現(xiàn)代制打造工程，2013，34(6)：132.

[5] 孫鵬,，楊晶晶.多模微波加熱器的建模與仿真[J].材料導(dǎo)報(bào)，2007，21(11A)：269-271.

[7] 李承躍，王浩儒.一種新型微波加熱器的建模與仿真[C].佛山：第十四屆全國(guó)微波能應(yīng)用學(xué)術(shù)會(huì)議暨2009年微波創(chuàng)造美的生活高峰論壇，2009，126-128.

[8] 姚斌，鄭勤紅.饋口位置及負(fù)載對(duì)微波加熱效率的影響及其優(yōu)化[J].材料導(dǎo)報(bào)，2012，26(4)：161-163.