天線錯(cuò)位布置對(duì)微波移動(dòng)加熱效果影響的仿真研究

蔡子林，高子渝，楊倫磊，李家春

(1.長(zhǎng)安大學(xué) 公路養(yǎng)護(hù)裝備國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710064；2.江蘇集萃道路工程技術(shù)與裝備研究所，江蘇 徐州 221004)

0 引 言

微波加熱因其高效、快速、環(huán)保的特點(diǎn)被引入到路面養(yǎng)護(hù)行業(yè)，微波加熱穿透能力強(qiáng)，加熱深度大，能實(shí)現(xiàn)對(duì)瀝青混合料內(nèi)外同時(shí)加熱，加熱均勻性好，瀝青混合料升溫快，施工效率高，安全環(huán)保。近年來(lái)國(guó)內(nèi)各大科研院校對(duì)微波加熱瀝青混合料相關(guān)技術(shù)進(jìn)行了研究。高子渝等對(duì)微波加熱瀝青混合料進(jìn)行了研究[1-7]。陳偉等對(duì)天線陣列對(duì)微波加熱瀝青混合料的影響進(jìn)行了研究[8-10]。邊曉偉等則對(duì)微波移動(dòng)加熱瀝青混合料進(jìn)行了研究[11-12]。

天線陣列的錯(cuò)位布置會(huì)對(duì)微波加熱瀝青混合料模型的加熱效率和均勻性產(chǎn)生影響，但是目前還缺乏對(duì)此的相關(guān)研究。因此，本文利用CST仿真軟件對(duì)微波加熱瀝青混合料模型天線陣列錯(cuò)位布置的不同錯(cuò)位位移進(jìn)行仿真，研究不同錯(cuò)位位移下微波移動(dòng)加熱瀝青混合料的加熱效率和均勻性，以及不同移動(dòng)方向下錯(cuò)位位移對(duì)移動(dòng)加熱瀝青混合料模型加熱效果的影響。

1 加熱模型的建立

本文以波導(dǎo)Y方向產(chǎn)生交錯(cuò)的天線陣列為研究對(duì)象，行列間隔為30 mm×30 mm，天線陣列的錯(cuò)位位移分別是波導(dǎo)底部長(zhǎng)邊尺寸的1/2、1/3、1/4和0。不同錯(cuò)位位移波導(dǎo)布置如圖1所示。

圖1 不同錯(cuò)位位移波導(dǎo)布置

利用CST軟件對(duì)模型進(jìn)行微波場(chǎng)和溫度場(chǎng)耦合仿真，對(duì)其溫度的均值、離散系數(shù)和加熱深度等進(jìn)行分析。瀝青混合料參數(shù)設(shè)置如表1所示。

2 不同錯(cuò)位位移的仿真研究

2.1 X向移動(dòng)加熱的錯(cuò)位位移仿真研究

利用CST軟件對(duì)不同錯(cuò)位位移的加熱模型進(jìn)行微波場(chǎng)和溫度場(chǎng)耦合仿真，得到加熱后瀝青混合料模型的表面溫度分布云圖和深度方向溫度分布云圖，如圖2所示。將瀝青混合料模型的溫度數(shù)據(jù)導(dǎo)出并處理，得到表2、3和圖3～6所示。

圖2 X向錯(cuò)位位移1/2模型的仿真結(jié)果

由圖2～6和表2、3分析得到：隨著天線陣列錯(cuò)位位移的增大，瀝青混合料模型溫度的均值和80 ℃以上溫度區(qū)間占比逐漸降低，而且瀝青混合料模型深度方向不同層的溫度略有降低，加熱效率下降；瀝青混合料模型溫度離散系數(shù)逐漸降低，其中離散系數(shù)由0.169降到0.152，瀝青混合料模型加熱均勻性變好。

通過(guò)對(duì)加熱后瀝青混合料的溫度區(qū)間占比、加熱深度、均值、標(biāo)準(zhǔn)差、離散系數(shù)等加熱效果評(píng)價(jià)指標(biāo)的綜合分析發(fā)現(xiàn)，沿X向移動(dòng)加熱，隨著天線陣列錯(cuò)位位移的增大，加熱效率降低，加熱均勻性提高。在本節(jié)分析的幾組錯(cuò)位位移中，天線陣列錯(cuò)位位移為1/2時(shí)瀝青混合料模型的加熱效率略低，但是加熱均勻性最好，因此加熱效果最好。

表1 瀝青混合料參數(shù)

表2 X向不同錯(cuò)位位移選取溫度結(jié)果對(duì)比

2.2 Y向移動(dòng)加熱的錯(cuò)位位移仿真研究

利用CST軟件對(duì)不同錯(cuò)位位移的加熱模型進(jìn)行微波場(chǎng)和溫度場(chǎng)耦合仿真，得到加熱后瀝青混合料模型的表面溫度分布云圖和深度方向溫度分布云圖，如圖7～10所示。將瀝青混合料模型的溫度數(shù)據(jù)導(dǎo)出并處理，即可得到表4、5和圖7～10。

表3 X向不同錯(cuò)位位移選取溫度各溫度區(qū)間占比

圖3 X向錯(cuò)位位移1/3模型的仿真結(jié)果

圖4 X向錯(cuò)位位移1/4模型的仿真結(jié)果

圖5 X向錯(cuò)位位移0模型的仿真結(jié)果

圖6 X向移動(dòng)加熱不同深度溫度

圖7 Y向錯(cuò)位位移1/2模型的仿真結(jié)果

圖8 Y向錯(cuò)位位移1/3模型的仿真結(jié)果

圖9 Y向錯(cuò)位位移1/4模型的仿真結(jié)果

圖10 Y向錯(cuò)位位移0模型的仿真結(jié)果

由圖7～10和表4、5分析可得到：隨著天線陣列錯(cuò)位位移的增大，瀝青混合料模型溫度的均值和80 ℃以上溫度區(qū)間占比逐漸降低，而且瀝青混合料模型深度方向不同層的溫度降低，加熱效率降低；瀝青混合料模型溫度的離散系數(shù)逐漸降低，其中離散系數(shù)由0.265降到0.220時(shí)，瀝青混合料模型的加熱均勻性變好。

表4 Y向不同錯(cuò)位位移選取溫度結(jié)果對(duì)比

表5 Y向不同錯(cuò)位位移選取溫度的各溫度區(qū)間占比

圖11 Y向移動(dòng)加熱不同深度溫度

通過(guò)對(duì)加熱后瀝青混合料的溫度區(qū)間占比、加熱深度、均值、標(biāo)準(zhǔn)差、離散系數(shù)等加熱效果評(píng)價(jià)指標(biāo)的綜合分析發(fā)現(xiàn)，沿Y向移動(dòng)加熱時(shí)，天線陣列錯(cuò)位布置隨著天線陣列錯(cuò)位位移的增大，加熱效率降低，加熱均勻性提高。在本節(jié)分析的幾組錯(cuò)位位移中，天線陣列錯(cuò)位位移為1/2時(shí)瀝青混合料模型的加熱效率略低，但是加熱均勻性最好，因此加熱效果最好。

綜合分析得到：相同錯(cuò)位位移時(shí)沿X向移動(dòng)加熱的瀝青混合料模型溫度的離散系數(shù)均比沿Y向移動(dòng)低，表明沿X向移動(dòng)加熱的瀝青混合料模型加熱均勻性比沿Y向移動(dòng)好；沿X向移動(dòng)加熱的瀝青混合料模型的溫度均值除了錯(cuò)位位移為0時(shí)比沿Y向移動(dòng)加熱時(shí)低，其余錯(cuò)位位移的均值均比沿Y向高，而且瀝青混合料的高溫溫度區(qū)間占比比沿Y向高，表明沿X向移動(dòng)加熱瀝青混合料模型的加熱效率比沿Y向移動(dòng)加熱好。因此沿X向移動(dòng)加熱瀝青混合料模型時(shí)加熱效果最佳。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文研究了加熱墻天線陣列錯(cuò)位布置對(duì)微波移動(dòng)加熱瀝青混合料模型加熱效果的影響，發(fā)現(xiàn)：隨著天線陣列錯(cuò)位位移的增大，加熱效率降低，加熱均勻性提高；錯(cuò)位位移相同時(shí)沿X向移動(dòng)加熱瀝青混合料的加熱效率和均勻性均比沿Y向好。該結(jié)論可以為瀝青路面微波加熱設(shè)備的設(shè)計(jì)提供參考。