微波加热CaO-SiO体系材料的数值模拟研究

摘要

微波加热技术是利用微波这一特殊波段所具有的一些特性以及它与被加热介质耦合来产生热量，即利用介质损耗使材料整体加热至所需温度。它具有加热速度快、加热均匀、高效、易控制、安全环保等优点。但是在实际的应用过程中，对于微波加热体，尤其是固体加热样品温度变化的测量存在着一定的困难。在现代微波电磁场工程中，各种数值计算方法发挥着越来越重要的作用，其中，时域有限差分算法(FDTD)是20世纪60年代中期发展起来的一种十分有效的电磁场数值计算方法，它的本质是将微分形式的时域Maxwell旋度方程转化为差分方程来数值求解电磁场。目前，FDTD法的应用已经遍及许多科学领域。 本文实验部分采用微波对CαO-SiO<,2>体系材料进行了加热，微波加热系统的微波源频率为2450MHz，使用的功率为1kW。材料的温度变化采用日本产的ULTIMAX-20红外辐射高温计测定。对于材料样品平均温度的测量，结合微波加热过程的一些特点，采用液体量热测温方法，该温度测量方法的原理是热传递和能量守恒，具有操作简便、结果可靠的特点。这些测量结果可用作对于微波加热体温度场理论计算结果进行对比的重要依据。 有限差分法求解微波加热体温度变化规律的要点是：首先选择合理形式的热传导微分方程，将计算节点放置在Yee元胞中心，从而将热传导方程离散化而得到关于温度的差分方程组。在求解所得到的差分方程组时，还要考虑定解条件，包括：初始条件和边界条件。同样为了保证数值的稳定性，对于时间步长也有相应要求，当然这个要求远低于FDTD法对时间步长的要求，所以这个问题自然得到了解决。 本文利用Maxwell方程组与热传导方程(Fourier方程)来计算微波加热过程中一种特殊材料的温度随时间的变化规律。并将材料温度变化的理论计算结果与有关的实验测量结果进行对比，从而验证了本文所提出的数值计算模型的可行性和可靠性。

目录

文摘

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声明

第1章 引言

1.1微波概述

1.1.1微波在电磁波中的位置

1.1.2微波的传输特点

1.1.3微波加热的特点

1.2微波加热的原理及应用

1.2.1微波加热的原理

1.2.2微波加热技术的应用

1.3与微波加热相关计算方法的概述

1.3.1 FDTD法的特点

1.3.2 FDTD法的应用

1.4微波加热数值模拟计算的研究现状

1.5本文的内容简介

第2章 时域有限差分法基本原理

2.1 Maxwell方程的微分形式

2.2 Yee元胞

2.3 Maxwell旋度方程的有限差分处理

2.4 FDTD法解的稳定性

2.5 FDTD法的数值色散特性

2.6激励源的类型和设置

2.7 FDTD法的吸收边界条件

2.8本章小结

第3章 实验工作和实验结果

3.1微波加热的实验装置

3.2实验用矩形谐振腔的基本原理

3.3材料密度的测量原理

3.4材料加热过程中温度变化的测量方法

3.4.1材料表面温度的实时测量

3.4.2材料平均温度的测量方法—液体量热测温法

3.5相关实验测量结果

3.5.1有关热参数的测量结果

3.5.2样品材料密度的测量结果

3.5.3复介电系数的室温测量结果

3.5.4样品加热过程温度变化的测量结果

3.6本章小结

第4章 数学模型与数值计算

4.1关于被加热样品电磁场的数学模型

4.1.1关于样品电磁场的数学模型

4.1.2样品与电磁场相关物性参数的确定

4.1.3样品电磁场求解域离散化与差分方程的建立

4.1.4谐振腔电磁场激励源的设置

4.1.5谐振腔电磁场的FDTD吸收边界条件

4.2被加热样品温度场的数学模型

4.2.1导热微分方程

4.2.2定解条件

4.2.3样品温度场的数学模型

4.2.4样品温度场相关物性参数的确定

4.2.5样品温度场数学模型的计算方法

4.3被加热样品的加热模型

4.4微波加热CaO—SiO2体系材料的数值计算结果及分析

4.5本章小结

第5章 结束语

5.1工作总结

5.2后续工作设想

致谢

参考文献

附录 在学期间发表论文和参加科研情况