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:
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:
- Электромагнитная задача
- Тепловая задача
Обратимся сразу к результатам такого моделирования.
Посмотрим на то, как происходит нагрев волновода 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:
Ниже приведено увеличенное изображение электромагнитных полей и диэлектрического блока:
Кроме этого, можно также исследовать распределение электромагнитных полей до и после нагревания.
Перед нагреванием:
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.
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
#наука #физика #технологии #программы #численные методы #fem #comsol