考虑频率波动的微波加热数值模拟模型

发布时间：2021-10-05 05:24

　　家用微波炉内磁控管的频率会有波动,且难以测定。为考查微波频率波动对样品温度分布的影响,获得更加精确的仿真结果,研究假设家用微波炉的频率以2.45 GHz为中心波动,并对不同波动范围的频率（2.44～2.46 GHz,2.43～2.47 GHz,2.41～2.49 GHz）与单个频率（2.45 GHz）的基于有限元模型的仿真结果与实验结果进行了比较分析。实验对象是放置于微波炉内加热60 s的土豆泥。对于不同的频率范围分布,每隔0.005 GHz计算一次电磁功率密度,并根据余弦分布对它们进行加权平均,最后将电磁功率作为热源加热土豆泥。模拟结果分别与用热成像仪和光纤热电偶测定的土豆泥表面温度分布和各部位瞬时温度的实验值进行比较。结果显示频率波动范围在2.44～2.46 GHz预测的温度场与实验值有较好的一致性;而在2.41～2.49 GHz范围内,温度分布的均匀性最好。该模型也可为指导微波食品的开发提供理论依据。 

【文章来源】：微波学报. 2020,36(05)北大核心CSCD

【文章页数】：7 页

【部分图文】：

微波炉模型示意图

由于现在的仿真软件难以实现多频率加热的情况,因此本研究采用基于有限元的COMSOL Multiphysics 并结合MATLAB来实现。图2描述了仿真策略的流程。整个过程是一个循环,模拟开始时,土豆泥的初始温度是20 ℃。Liu等发现土豆泥的介电特性无需频繁更新,因为在加热过程中变化不大,对模型的精度影响不大[16]。Chen等假设土豆泥在10 s内介电特性是固定的[27]。基于计算时间和精度的考量,本研究假设3 s内土豆泥的介电常数和热物性是处于不变的,认为是不干扰电场的分布。通过COMSOL计算不同频率范围的5个频率点的功率密度,这里的频率范围选取了3个,分别是2.44～2.46 GHz(每隔0.005 GHz选取一个频率点,共5个频率点);2.43～2.47 GHz(每隔0.005 GHz选取一个频率点,共9个频率点);2.41～2.49 GHz(每隔0.005 GHz选取一个频率点,共17个频率点),其所占比重如图3所示,3个频率范围均是以2.45 GHz为中心,0.1/0.05/0.025 GHz为半个周期的余弦分布,所占比重的和均归一化为1。MATLAB将不同频率下的功率密度进行加权平均,再将求得的平均功率密度作为热源加热土豆泥,求得的温度可以进行输出并且保存为文件作为下一次循环的初始温度值,往复循环,一直达到60 s的加热,一共20次循环。

合适的网格划分是保证精确和减少计算时间的保证,因此仿真时所用的网格尺寸不宜过大也不宜过细。文献[16]报道在有限元分析中各个域的网格不超过1/6的波长。本研究中,土豆泥的网格尺寸为 2～4 mm;玻璃的尺寸为6～10 mm;尼龙模具的尺寸为 8～15 mm;空气的尺寸为:6～30 mm。网格采用的是自由四面体网格。1.4 模型参数的输入以及样品的制备

【参考文献】：
期刊论文
[1]基于数值仿真的多馈微波加热温度控制系统[J]. 周明长,李少甫.  微波学报. 2019(05)
[2]频率波动范围对家用微波炉加热模式的影响[J]. 阎若萍,王易芬,栾东磊.  食品与机械. 2018(05)
[3]频率、温度和大豆分离蛋白对南极磷虾虾肉糜介电特性的影响[J]. 张毛赛,楼飞,张瑞娟,卢敬昊,程裕东,金银哲.  食品与发酵工业. 2017(08)
[4]K23L平板微波炉天线研究[J]. 王翔,曾葆青,唐相伟.  真空电子技术. 2014(06)
[5]方便米饭微波复热过程温度分布的尺寸效应[J]. 范大明,陈卫,李春香,王丽云,庞珂,赵建新,张灏.  农业工程学报. 2012(S1)
[6]微波加热过程中圆柱型包装食品的温度分布研究[J]. 程裕东.  中国食品学报. 2002(04)

硕士论文
[1]微波炉加热仿真及仿真精确度提升[D]. 冉雪峰.电子科技大学 2017
[2]微波炉腔体电磁场分布仿真及尺寸结构优化设计[D]. 巨汉基.电子科技大学 2008



本文编号：3419084