[發明專利]一種微波場混沌攪拌器的數值仿真分析方法

有效

• 申請號: 201710529702.2
• 申請日: 2017-07-02
• 公開（公告）號: CN107463728B
• 公開（公告）日: 2020-05-12
• 發明（設計）人: 楊曉慶;周杰;吳詩月
• 申請（專利權）人: 四川大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20
• 代理公司: 成都科海專利事務有限責任公司 51202
• 代理人: 呂建平

本發明公開了一種微波場混沌攪拌器的數值仿真分析方法，首先建立微波場混沌攪拌器的有限元模型以及微波場混沌攪拌器中攪拌部件的隨機運動函數模型；并定義微波場混沌攪拌器幾何模型區域的控制方程和邊界約束方程；再利用有限元法求解控制方程得到微波場混沌攪拌器內的電磁場分布。本發明將隨機運動函數模型與有限元模型相結合，利用隨機函數模型模擬微波場混沌攪拌器中非固定攪拌部件的隨機運動，進而得到隨攪拌部件變化的移動網格，再利用有限元法求解電磁場的偏微分方程，從而可以獲得隨時間變化的微波場混沌攪拌器的動態電磁場分布。

技術領域

本發明屬于計算機數據處理技術領域，涉及一種電磁場的數值仿真分析，具體涉及一種應用于微波爐的微波場混沌攪拌器的數值仿真分析方法。

背景技術

隨著社會進步和微波能利用技術的發展，微波爐的使用越來越普及。因微波具有良好的穿透性，能直接將能量送入被加熱物體內部，實現對物體內部和外部的同時加熱，從而極大地縮短了加熱時間，提高了加熱效率。但由于微波加熱的不均勻性會使得食物內部出現過熟和欠熟區域，導致食物無法安全食用，從而制約微波能的有效應用。因此，改善微波加熱過程中受熱物料溫度分布不均的現象顯得意義重大。

微波爐加熱不均勻的主要原因之一是由于微波爐腔體能量分布的不均勻性；為了改善能量在空間分布的不均勻性，目前的通用做法是添加微波場攪拌器；微波場攪拌器一般由多片共軸安裝在在微波爐腔體的頂部的金屬扇葉構成，在電機帶動，金屬扇葉的旋轉可以改變微波爐腔體的邊界條件，使微波爐內的電磁場分布隨著葉片的旋轉而跟著旋轉或不斷的變化，從而可以使微波場的均勻性得到一定的改善；但是微波場攪拌器的位置固定，攪拌具有周期性，這將導致而能量分布也存在周期性的變化，從而使微波場能量均勻性改善存在一定的局限性，改善效果不是很明顯。

為克服上述已有技術缺陷，需要設計一種可以實現微波場能量均勻化的非固定式微波場攪拌器；為此，需要先通過數值仿真方法對非固定式微波場攪拌器的攪拌效果進行計算機分析，以得到微波腔體中能量分布情況及相關參數，進而獲得微波腔體內電磁分布規律。

目前，人們已經提出了多種方法以實現對電磁環境的仿真計算，例如矩量法、時域有限差分法、有限元法等。其中矩量法是由R.F.Harrington首先應用于電磁問題的求解，其主要思想是將積分方程化為差分方程，或者是將積分方程中積分化為有限求和，從而建立代數方程組，最后輸入計算機求解代數方程組；在求解代數方程組的過程中，矩陣規模的大小涉及到占用內存的多少，將會直接影響計算的速度；此外該方法僅適用于計算靜止物體的電磁場問題，對于移動物體的實時計算不在適用。時域有限差分法的基本思想是用中心差商代替場量對時間和空間的一階偏微商，通過在時域的遞推模擬波的傳播過程，從而得出場分布，該方法適合研究瞬態過程中的電磁波傳播問題。有限元法則是將連續的求解域離散為一組單元的個組合體，用在每個單元內假設的近似函數來分片的表示求解域上待求的未知場函數；近似函數通常由未知場函數及其導數在單元各節點的數值插值函數來表達，從而使一個連續的無限自由度問題變成離散的有限自由度問題。

然而，對于非固定式微波場攪拌器，其中的攪拌部分是不固定的，使得微波腔體中不僅含有運動的物體，而且物體的運動具有不確定性，這已經超出上述矩量法和時域有限差分方法的適用范圍；此外，由于網格是表征幾何的計算區域，物體移動造成網格的變形，使得網格發生反轉和畸變導致不能計算，傳統有限元法也難以實現非固定式微波場攪拌器微波腔體內電磁場分布的數值模擬。

發明內容

本發明的目的旨在，針對非固定式微波場攪拌器的電磁場分布，缺少有效、可行的數值仿真技術的現狀，提供一種微波場混沌攪拌器的數值仿真分析方法，以得到微波腔體中能量分布情況。

為了達到上述目的，本發明提供了一種微波場混沌攪拌器的數值仿真分析方法，包括以下步驟：

(1)在有限元分析軟件中繪制或插入微波場混沌攪拌器的幾何模型，對建立的微波場混沌攪拌器幾何模型進行網格劃分，得到微波場混沌攪拌器有限元模型；