微波爐加熱效應仿真分析報告

..學生研究性學習與創(chuàng)新性實驗項目結(jié)題報告項目名稱：微波爐加熱效應仿真分析項目負責人：溫令云指導教師:宗衛(wèi)華項目組其他成員：張偉,張人婕,曲婧,杜哲起止年月：2009年9月至2010年9月責任學院：自動化工程學院填寫日期：20XX10月15日填表說明一、填寫結(jié)題報告書前,請先征求指導教師意見。報告書的各項內(nèi)容要求實事求是,逐條認真填寫。表達明確、嚴謹,一律要求用打印稿件。二、要求在本報告后,必須附帶經(jīng)指導教師審閱、簽字的詳細研究資料與結(jié)果〔論文、實驗報告等材料。對不能以書面形式展示的成果要有圖像或軟件、視頻等材料,并成果實物應交學院存檔。三、如表格不夠,可以另加附頁。基本情況項目名稱微波爐加熱效應仿真分析負責人姓名溫令云杜哲學號2007電業(yè)年級電子信息工程E-mailwlyhero126指導教師姓名宗衛(wèi)華從事專業(yè)電子信息電話E-mail其他實際參加人員姓名張偉年級專業(yè)2007級電氣工程姓名張人婕年級專業(yè)2007級電氣工程姓名曲婧年級專業(yè)2006級通信工程姓名杜哲年級專業(yè)2006級通信工程研究經(jīng)費總經(jīng)費校撥經(jīng)費院撥經(jīng)費實際支出經(jīng)費800元800元0元800元研究期限計劃完成年月20XX9月實際完成年月20XX9月計劃完成情況1.提前完成2.按期完成√3.延期完成4.終止未按期完成的原因：研究成果形式實驗設計1套發(fā)表論文0篇實驗報告1個制作課件0本調(diào)查報告0個專利0個硬件制作0個軟件設計0個模型作品0個會議交流0次成果應用情況研究成果可適用于《電磁場與電磁波》和《微波技術與天線》課程的教學中。研究工作總結(jié)簡介請按照下列提綱編寫,要求簡明扼要,以學術總結(jié)為主,總字數(shù)在1500字。1.主要研究內(nèi)容與方法、研究結(jié)果。微波加熱廣泛應用在日常生活中。由于感應電流的原因,金屬材料的容器在微波爐中加熱會產(chǎn)生火花,雞蛋在微波爐中加熱會發(fā)生爆炸。在理論上很難精確分析這些現(xiàn)象產(chǎn)生的原因,采用電磁分析軟件對微波爐中的物體進行場分析,可以解釋上述現(xiàn)象。本課題采用ansoft軟件,對微波爐及其中的被加熱物體進行計算,分析產(chǎn)生火花和爆炸的原因。仿真方法和思路：〔1查找文獻,學習微波加熱的原理,了解被加熱物質(zhì)的電磁特性。微波輻射到物體表面時,通過三種途徑傳播。一部分從物體的周圍"繞"過去,另一部分從表面反射回來,還有一部分船頭到物體內(nèi)部。不同尺寸、不同材料的物體,這三種的比例不相同。物體截面尺寸比波長小得多,容易發(fā)生衍射,大部分微波"繞"過物體,向前傳播。物體截面尺寸大大超過微波的波長,物體本身又是良導體,微波大部被反射。如果是不導電的物體,且截面尺寸大于微波的波長,則微波大部穿透物體的表面進入內(nèi)部。進入內(nèi)部的微波,與組成物質(zhì)的分子相互作用,使一部分微波能量轉(zhuǎn)換成熱能,從而使物體溫度升高。。物料介質(zhì)由極性分子和非極性分子組成,在電磁場作用下,這些極性分子從隨機分布狀態(tài)轉(zhuǎn)為以電場方向進行取向排列。而在微波電磁場作用下,這些取向運動以每秒數(shù)十億的頻率不斷變化,造成分子的劇烈運動與碰撞摩擦,從而產(chǎn)生熱量,達到電能直接轉(zhuǎn)化為介質(zhì)內(nèi)的熱能。微波加熱原理就是由于微波的輻射引起食物內(nèi)部有機分子高速擺動和劇烈的相互摩擦,產(chǎn)生熱量使食物在很短的時間內(nèi)被熱熟。〔2查找文獻,確定微波爐的物理模型。家用微波爐主要有磁控管、爐腔和電源電路三部分組成。磁控管是帶偶很強磁場的電真空器件,產(chǎn)生大功率微波的源。爐腔包括腔體、爐門和轉(zhuǎn)盤。磁控管產(chǎn)生的大功率微波輸送到腔體,對腔體內(nèi)的食品進行微波加熱。爐門除取放食品外還防止微波泄漏。轉(zhuǎn)盤緩緩轉(zhuǎn)動,是指加熱均勻。采用軟件仿真時,微波爐的腔體模型為一長方體,其尺寸為：長340mm、寬330mm、高230mm,在仿真時可以用一個長的立方體作為模型。耦合爐門采用密封裝置,使得微波爐在爐門關閉的時候,微波不能從微波爐內(nèi)竄出來,因此,相對于微波來說,微波爐是密閉的。因此在仿真時微波爐爐壁的六個面中,除了饋微波源的面,其余五個面都是用理想導體來模擬,這五個面設置為理想導體。波導是將傳輸微波能量從微波源傳輸?shù)綘t內(nèi),這個源可以簡化成在爐壁上畫一塊矩形片,即在仿真時,先在二維界面畫一個矩形,然后設置為波端口此時它相當于一個輸入電磁波的口?！?采用軟件對微波爐和爐中被加熱物體進行仿真分析。首先對空的電磁爐建立模型,計算其中的電磁場分布,與理論結(jié)論比較一致,確定了仿真方法的正確性。然后計算了微波加熱一杯水的情形,給出微波爐以及水中的電磁場和電流分布。對微波爐加熱過程中的場與電流的分布有了形象的認識。〔4解釋微波加熱過程中的放電和爆炸現(xiàn)象。當使用微波爐加熱金屬容器內(nèi)的食物時,微波爐內(nèi)會產(chǎn)生火花,這是因為金屬在射頻或微波干燥加工中發(fā)生了放電擊穿,擊穿意味著產(chǎn)生了高頻電弧或放電。高頻放電等離子體正是利用了放電過程,但是干燥卻要避免產(chǎn)生高頻放電,這種高頻放電損耗有用功率,燒焦產(chǎn)品和傳送帶,在烤煙中甚至會產(chǎn)生大面積著火。一般大氣壓下平行平板間在30kV/cm場強下產(chǎn)生擊穿,可是當加熱器形狀出現(xiàn)金屬尖角時,可能低于此值,甚至1kV/cm也可能產(chǎn)生擊穿電弧。考慮到真空加工,因此擊穿應研究的氣壓范圍是從1~Pa。當使用微波爐加熱雞蛋時,容易發(fā)生爆炸。這是因為雞蛋的蛋白和蛋黃含有大量的水分,水是極性分子,極易吸收微波。加熱時,完整的蛋殼就像一個封閉的容器,蛋殼內(nèi)氣體不流通,雞蛋加熱產(chǎn)生的熱量不容易散發(fā)。而且雞蛋黃中不僅僅含有水分,還有脂肪,以及一些類似于結(jié)締組織的物質(zhì),而脂肪在微波中加熱速度非常快,結(jié)締組織則受熱較慢,脂肪和水分受熱膨脹后,受到結(jié)締組織的束縛,當膨脹過于猛烈,結(jié)締組織束縛不住時,結(jié)締組織斷裂,發(fā)生爆炸。蛋殼內(nèi)的空氣也受熱膨脹,水分變成水蒸氣,使容器內(nèi)壓力過高,也是引發(fā)爆炸的原因。2.該研究的意義、學術價值和應用前景；學術反映。此研究成果可以應用于《電磁場與電磁波》以及《微波技術與天線》課程的理論教學和實驗教學中,形象的理解微波加熱的原理、微波爐中的電磁場分布,學習ansoft仿真分析微波爐問題的步驟。3.同預期計劃和目標比較,說明存在問題與建議。此項目采用ansoft仿真分析微波爐加熱過程,得出微波爐以及被加熱物體中的電磁場和電流分布,并且解釋了微波加熱過程中的放電現(xiàn)象和爆炸現(xiàn)象產(chǎn)生的原因。負責人簽字：年月日〔根據(jù)窗口內(nèi)容,可自行加頁指導教師評語〔主要對該項目總體執(zhí)行進展情況、研究結(jié)果的學術水平與創(chuàng)新情況、結(jié)果的應用前景與效益；主持人及所有參加學生在研究過程中的工作態(tài)度、學識水平、實際應用能力表現(xiàn)等進行全面評定：該項目按計劃進行,五位同學利用課余時間查找資料,經(jīng)過大量的仿真計算,確定了微波的模型,解決了ansoft仿真分析微波爐問題的方法,最后計算出微波爐中的場分布,解釋了微波加熱過程中的爆炸現(xiàn)象,完成了項目的要求。項目組的五位同學態(tài)度認真、協(xié)調(diào)合作、刻苦學習電磁場理論知識和ansoft軟件的使用方法,表現(xiàn)出非常強的自學能力和創(chuàng)新能力。根據(jù)每位項目成員的表現(xiàn),建議分別給予學分值〔最高為3學分__杜哲3學分；__溫令云3學分；__張偉3學分；__張人婕3學分；__曲婧3學分。指導教師簽字：年月日學院項目指導委員會審查意見：同意給予〔最高為3學分__杜哲3學分；__溫令云3學分；__張偉3學分；__張人婕3學分；__曲婧3學分。學院項目指導委員會主任簽字：〔公章2010年6月20日學校項目管理委員會意見：公章2010年6月20日附件：青島大學項目名稱微波爐加熱效應仿真分析項目主持人溫令云項目組其他成員張偉,張人婕,曲婧,杜哲指導教師宗衛(wèi)華責任學院自動化工程學院起止年月：2009年9月至2010年9月微波加熱原理是由于微波的輻射引起食物內(nèi)部有機分子高速擺動和劇烈的相互摩擦,產(chǎn)生熱量使食物在很短的時間內(nèi)被熱熟。本課題主要是對微波爐加熱效應的仿真,應用軟件來實現(xiàn),即在通用的微型計算機上用Ansoft軟件實現(xiàn)。首先是運用Ansoft軟件建立模型,然后對空的微波爐仿真,基于此,再仿真帶有金屬材料的容器放在微波爐中,得出數(shù)據(jù),進行計算和分析。第1部分微波加熱的仿真1.1微波爐空腔的仿真圖1微波爐結(jié)構(gòu)示意圖圖1為微波爐結(jié)構(gòu)示意圖,其中Cavity〔爐腔是一個長方體,利用AnsoftHFSS軟件仿真時,可以簡化成一個長方體,其尺寸為：長340mm、寬330mm、高230mm,在仿真時可以用一個長的立方體box作為模型。圖中Couplingwindow〔耦合爐門采用抗流密封裝置,使得微波爐在爐門關閉的時候,微波不能從微波爐內(nèi)竄出來,因此,相對于微波來說,微波爐是密閉的。因此在仿真時微波爐爐壁的六個面中,除了饋微波源的面,其余五個面都是用理想導體來模擬,這五個面設置為Perfectconductor〔理想導體。而圖中waveguide〔波導是將傳輸微波能量從微波源傳輸?shù)綘t內(nèi),這個源可以簡化成在爐壁上畫一塊矩形片,即在仿真時,先在二維界面畫一個Rectangle,然后設置為Waveport,此時它相當于一個輸入電磁波的口。用作源的Rectangle要從爐壁中剪切下來,因為這個源是用作端口,并將其復制,最后粘貼上。1.1.1建立仿真模型創(chuàng)建新的工程運行AnsoftHFSS10.0,點擊菜單欄中的Project新建一個工程取名為Microwaveoven,如圖2。圖2創(chuàng)建工程選擇求解類型選擇菜單欄中的HFSS→SolutionType,然后選擇DrivenModal,如圖3,單擊OK。圖3選擇求解類型選擇模型單位選擇菜單欄中的3DModeler→Units,然后選擇mm,如圖4,單擊OK。圖4設置單位創(chuàng)建微波爐爐腔模型〔1經(jīng)過測量和計算,確定微波爐爐腔模型的起始值和尺寸,如表3.1。表3.1微波爐爐腔尺寸ovenxyzBasevertex-170mm-165mm0Size340mm330mm230mm〔2選擇菜單欄中的draw→box,此時起始坐標輸入欄出現(xiàn)在頁面右下角,輸入坐標,如圖5。按回車鍵后在窗口的右下角出現(xiàn)尺寸輸入欄,根據(jù)微波爐的起始值輸入數(shù)據(jù)如圖6,再按回車鍵繪圖界面出現(xiàn)所繪制的長方體并彈出一個窗口,如圖7。圖5輸入起始坐標圖6輸入尺寸圖7長方體命令窗口同時,還可以用鼠標在繪圖界面直接按照微波爐的尺寸確立三個點,來確定這個長方體,其中,第一個點定義矩形的起始點,第二個點確定矩形的長和寬,第三個點確定長方體的高度。選擇窗口中的Attribute,更改性質(zhì)。在Name行更改名字為oven,Material行選擇材料為vacuum,Color行選擇顏色為藍色,Transparent行選擇透明度為0,如圖8,單擊確定。圖8長方體性質(zhì)窗口此時,由于畫出的長方體尺寸太大,頁面不能夠顯示出整個長方體。為使整個長方體顯示出來,選擇菜單欄中的View→Fitall→Allviews。創(chuàng)建微波爐爐門模型〔1經(jīng)過測量和計算,確定微波爐爐門模型的起始值和尺寸,如表3.2。表3.2微波爐爐門尺寸OvenWallxyzStartpoint170-165230Size無330-230〔2選擇菜單欄中的Draw→Rectangle,此時起始坐標輸入欄出現(xiàn)在頁面右下角,輸入坐標。按回車鍵后在窗口的右下角出現(xiàn)尺寸輸入欄,根據(jù)微波爐爐門的起始值輸入數(shù)據(jù),在按回車鍵繪圖界面出現(xiàn)所繪制的長方體并彈出一個窗口,如圖9。圖9OvenWall命令窗口同時,還可以選擇菜單欄中的3DModeler→GridPlane,然后選擇YZ,再用鼠標在繪圖界面直接按照微波爐爐門的尺寸確立兩個點,來確定這個長方體,其中,第一個點定義矩形的起始點,第二個點確定矩形的長和寬?！?選擇窗口中的Attribute,更改性質(zhì)。在Name行更改名字為OvenWall,Color行選擇顏色為藍色,Transparent行選擇透明度為0,如圖10,單擊確定。圖10OvenWall性質(zhì)窗口創(chuàng)建微波源模型〔1經(jīng)過測量和計算,確定微波源模型的起始值和尺寸,如表3.3。表3.3微波源尺寸WaveportlxyzStartpoint170-8075Size無8080〔2選擇菜單欄中的Draw→Rectangle,此時起始坐標輸入欄出現(xiàn)在頁面右下角,輸入坐標。按回車鍵后在窗口的右下角出現(xiàn)尺寸輸入欄,根據(jù)微波爐爐門的起始值輸入數(shù)據(jù),在按回車鍵繪圖界面出現(xiàn)所繪制的長方體并彈出一個窗口,如圖11。圖11Waveport命令窗口同時,還可以選擇菜單欄中的3DModeler→GridPlane,然后選擇YZ,再用鼠標在繪圖界面直接按照微波爐爐門的尺寸確立兩個點,來確定這個長方體,其中,第一個點定義矩形的起始點,第二個點確定矩形的長和寬?！?選擇窗口中的Attribute,更改性質(zhì)。在Name行更改名字為Waveport,Color行選擇顏色為綠色,Transparent行選擇透明度為0,如圖12,單擊確定。圖12Waveport性質(zhì)窗口剪切出微波源入口,設置激勵源同時選中OvenWall面和Waveport面,選擇菜單欄中的3DModeler→Boolean→Subtractobjects,出現(xiàn)對話框,移動對話框里的內(nèi)容,是BlankParts下的內(nèi)容為OvenWall,ToolParts下的內(nèi)容為Waveport,并且備份Waveport,如圖13,單擊OK。圖13剪切窗口設置邊界條件及激勵選擇菜單欄中的Edit→Select→Faces,選中Oven中除OvenWall所在面的其余五個面,選擇菜單欄中的HFSS→Boundaries→Assign→PerfectE,出現(xiàn)對話框,重命名為PerfE1_wall,如圖14,單擊OK。選中OvenWall,單擊菜單欄中的HFSS→Boundaries→Assign→PerfectE,出現(xiàn)對話框,重命名為PerfE1_wall1,單擊ＯＫ。選中Waveport,單擊菜單欄中的HFSS→Excitations→Assign→WavePort,出現(xiàn)對話框,重命名為Waveport1,單擊OK。圖14邊界設置窗口設置求解頻率及掃描選擇菜單欄中的HFSS→AnalysisSetup→AddSolutionSetup,出現(xiàn)對話框,重命名〔SetupName為fq2p4,求解頻率〔Solution為2.4GHz,MaximumNumberofPasses設為15,MaximumDeltaS設為0.01,如圖15,單擊確定。圖15求解頻率及掃描操作設置窗口檢查當前工程的有效性級求解當前工程選擇菜單欄中的HFSS→ValidationCheck,或點擊按鈕,出現(xiàn)對話框如圖16,單擊Close。然后選擇菜單欄中的HFSS→AnalyzeAll,或點擊按鈕,進行仿真。圖16運行檢測結(jié)果1.1.2仿真結(jié)果分析選擇菜單欄中的HFSS→Fields→Fields→E→Mag_E,出現(xiàn)對話框,Quantity處選擇Mag_E,InVolume處選擇All,如圖17,單擊Done,結(jié)果如圖18。圖17繪制立體圖窗口圖18微波爐內(nèi)部電場強度分布圖1.2微波爐加熱水的仿真1.2.1建立仿真模型1.創(chuàng)建新的工程運行AnsoftHFSS10.0,HFSS軟件自動生成工程project1和HFSS設計HFSSDesign1,然后將project1重命名為OvenWater。2.選擇求解類型：選擇菜單欄中的HFSS→SolutionType,然后選擇DrivenModal,單擊OK。3.選擇模型單位選擇菜單欄中的3DModeler→Units,然后選擇mm,單擊OK。4.創(chuàng)建微波爐爐腔模型選擇菜單欄中的draw→box,此時起始坐標輸入欄出現(xiàn)在頁面右下角,按照表3.1輸入坐標,按回車鍵后在窗口的右下角出現(xiàn)尺寸輸入欄,根據(jù)微波爐的起始值輸入數(shù)據(jù),按回車鍵繪圖界面出現(xiàn)所繪制的長方體并彈出一個窗口。選擇窗口中的Attribute,更改性質(zhì)。在Name行更改名字為oven,Material行選擇材料為NotAssigned,Color行選擇顏色為藍色,Transparent行選擇透明度為0.89,單擊確定。此時,由于畫出的長方體尺寸太大,頁面不能夠顯示出整個長方體。為使整個長方體顯示出來,選擇菜單欄中的View→Fitall→Allviews。5.創(chuàng)建水杯模型〔1水柱體的中心值和尺寸,如表3.4。表3.4水柱體尺寸WaterxyzCerterPosition0010mmSize35mm無100mm選擇菜單欄中的Draw→Cylinder,此時中心坐標輸入欄出現(xiàn)在頁面右下角,輸入坐標。按回車鍵后在窗口的右下角出現(xiàn)尺寸輸入欄,根據(jù)水柱體的起始值輸入數(shù)據(jù),再按回車鍵繪圖界面出現(xiàn)所繪制的圓柱體并彈出一個窗口,如圖19。圖19圓柱體命令窗口選擇窗口中的Attribute,更改性質(zhì)。在Name行更改名字為Water,Material行為NotAssigned,Color行選擇顏色為淺綠,Transparent行選擇透明度為0,如圖20,單擊確定。0圖20圓柱體性質(zhì)窗口6.創(chuàng)建微波爐爐門模型選擇菜單欄中的draw→Rectangle,此時起始坐標輸入欄出現(xiàn)在頁面右下角,根據(jù)表3.2輸入坐標。按回車鍵后在窗口的右下角出現(xiàn)尺寸輸入欄,根據(jù)微波爐爐門的起始值輸入數(shù)據(jù),再按回車鍵繪圖界面出現(xiàn)所繪制的長方體并彈出一個窗口。選擇窗口中的Attribute,更改性質(zhì)。在Name行更改名字為OvenWall,Color行選擇顏色為藍色,Transparent行選擇透明度為0.92,單擊確定。7.創(chuàng)建微波源模型選擇菜單欄中的draw→box,此時起始坐標輸入欄出現(xiàn)在頁面右下角,根據(jù)表3.3輸入坐標。按回車鍵后在窗口的右下角出現(xiàn)尺寸輸入欄,根據(jù)微波爐爐門的起始值輸入數(shù)據(jù),在按回車鍵繪圖界面出現(xiàn)所繪制的長方體并彈出一個窗口。選擇窗口中的Attribute,更改性質(zhì)。在Name行更改名字為Waveport,Color行選擇顏色為綠色,Transparent行選擇透明度為0,單擊確定。8.剪切出微波源入口,設置激勵源同時選中OvenWall面和Waveport面,選擇菜單欄中的3DModeler→Boolean→Subtractobjects,出現(xiàn)對話框,移動對話框里的內(nèi)容,是BlankParts下的內(nèi)容為OvenWall,ToolParts下的內(nèi)容為Waveport,并且備份Waveport,單擊OK。9.設置邊界條件及激勵選擇菜單欄中的Edit→Select→Faces,選中Oven中除OvenWall所在面的其余五個面,選擇菜單欄中的HFSS→Boundaries→Assign→PerfectE,出現(xiàn)對話框,重命名為PerfE1_wall單擊OK。選中OvenWall,單擊菜單欄中的HFSS→Boundaries→Assign→PerfectE,出現(xiàn)對話框,重命名為PerfE1_wall1,單擊ＯＫ。選中Waveport,單擊菜單欄中的HFSS→Excitations→Assign→WavePort,出現(xiàn)對話框,重命名為Waveport1,單擊OK。10.設置求解頻率及掃描選擇菜單欄中的HFSS→AnalysisSetup→AddSolutionSetup,出現(xiàn)對話框,重命名〔SetupName為fq2p4,求解頻率〔Solution為2.4GHz,MaximumNumberofPasses設為15,MaximumDeltaS設為0.01,單擊確定。11.檢查當前工程的有效性及求解當前工程選擇菜單欄中的HFSS→ValidationCheck,或點擊按鈕,出現(xiàn)對話框,單擊Close。然后選擇菜單欄中的HFSS→AnalyzeAll,或點擊按鈕,進行仿真。1.2.2仿真結(jié)果分析選擇菜單欄中的HFSS→Fields→Fields→E→Mag_E,出現(xiàn)對話框,Quantity處選擇Mag_E,InVolume處選擇All,單擊Done,出現(xiàn)立體方向圖,如圖21,3.22。圖21水中電場強度分布正面圖圖22水中電場強度分布側(cè)面圖圖23水中電流矢量分布圖第2部分微波爐加熱現(xiàn)象的解釋當使用微波爐加熱金屬容器內(nèi)的食物時,微波爐內(nèi)會產(chǎn)生火花,這是因為金屬在射頻或微波干燥加工中發(fā)生了放電擊穿,擊穿意味著產(chǎn)生了高頻電弧或放電。高頻放電等離子體正是利用了放電過程,但是干燥卻要避免產(chǎn)生高頻放電,這種高頻放電損耗有用功率,燒焦產(chǎn)品和傳送帶,在烤煙中甚至會產(chǎn)生大面積著火。一般大氣壓下平行平板間在30kV/cm場強下產(chǎn)生擊穿,可是當加熱器形狀出現(xiàn)金屬尖角時,可能低于此值,甚至1kV/cm也可能產(chǎn)生擊穿電弧?？紤]到真空加工,因此擊