 |
این مدلی از فرآیند گرمایش در اجاق مایکروویو است. منبع گرمای توزیع شده در یک تحلیل الکترومغناطیسی ثابت، حوزه فرکانس و به دنبال آن یک شبیه‌سازی انتقال حرارت گذرا محاسبه می‌شود که نحوه توزیع مجدد گرما در غذا را نشان می‌دهد.
مایکروویو یک جعبه فلزی است که از طریق یک موجبر مستطیلی که در حالت TE 10 کار می کند به منبع مایکروویو 2.45 گیگاهرتز متصل می شود . نزدیک ته فر یک صفحه شیشه ای استوانه ای شکل وجود دارد که روی آن یک سیب زمینی کروی قرار گرفته است. مایکروویو با 1 کیلو وات کار می کند، اما وقتی از تقارن برای کاهش اندازه مدل به نصف استفاده می کنیم، فقط 500 وات در شبیه سازی وارد می کنیم. برش تقارن به صورت عمودی از طریق فر، موجبر، سیب زمینی و صفحه اعمال می شود. شکل 1 زیر هر دو هندسه اندازه کامل و کاهش یافته را نشان می دهد.
در این مدل از مس برای دیوارهای فر و موجبر استفاده شده است. اگرچه انتظار می رود تلفات فلزات مقاومتی اندک باشد، اما شرایط مرزی امپدانس در این دیوارها تضمین می کند که آنها به حساب می آیند. برای اطلاعات بیشتر در مورد این شرایط مرزی، به بخش وضعیت مرزی امپدانس در راهنمای کاربر ماژول RF مراجعه کنید . برش تقارن دارای تقارن آینه ای برای میدان الکتریکی است و با شرط مرزی n × H = 0 نشان داده می شود .
پورت مستطیلی توسط یک موج الکتریکی عرضی (TE) تحریک می شود، که موجی است که هیچ جزء میدان الکتریکی در جهت انتشار ندارد. در فرکانس تحریک 2.45 گیگاهرتز، حالت TE 10 تنها حالت انتشار از طریق موجبر مستطیلی است. فرکانس های قطع برای حالت های مختلف به صورت تحلیلی از رابطه داده شده است
که در آن m و n اعداد حالت و c نشان دهنده سرعت نور است. برای حالت TE 10 ، m = 1 و n = 0 . با ابعاد مقطع مستطیلی ( a = 7.8 سانتی متر و b = 1.8 سانتی متر)، حالت TE 10 تنها حالت انتشار برای فرکانس های بین 1.92 گیگاهرتز و 3.84 گیگاهرتز است.
با تحریک مقرر در پورت مستطیلی، معادله زیر برای بردار میدان الکتریکی E در داخل موجبر و کوره حل می‌شود:
که در آن μ r نشان دهنده نفوذپذیری نسبی، j واحد خیالی، σ رسانایی، ω فرکانس زاویه ای، ε r گذردهی نسبی، و ε0 گذردهی فضای آزاد است . این مدل از پارامترهای مواد برای هوا استفاده می کند: σ = 0 و μ r = ε r = 1 . در سیب زمینی از همان پارامترها استفاده می شود به جز گذردهی که روی εr = 65-20 j تنظیم شده است . جایی که قسمت خیالی تلفات دی الکتریک را محاسبه می کند. صفحه شیشه ای دارای σ = 0 ، μ r = 1 و ε r = 2.55 است .
شکل 2 زیر منبع گرمای مایکروویو توزیع شده را به صورت یک نمودار برش از مرکز سیب زمینی نشان می دهد. الگوی نوسانی نسبتاً پیچیده، که یک قله قوی در مرکز دارد، نشان می دهد که سیب زمینی به عنوان یک حفره رزونانس برای میدان مایکروویو عمل می کند. قدرت جذب شده در سیب زمینی ارزیابی می شود و حدود 60 درصد از توان ورودی مایکروویو را تشکیل می دهد. بیشتر نیروی باقی مانده از طریق پورت منعکس می شود.
شکل 3 دمای مرکز سیب زمینی را به عنوان تابعی از زمان برای 5 ثانیه اول نشان می دهد. به دلیل رسانایی حرارتی کم سیب زمینی، گرما به آرامی توزیع می شود و مشخصات دما پس از 5 ثانیه یک اوج قوی در مرکز دارد ( شکل 4 را ببینید ). وقتی سیب زمینی را بیشتر گرم می کنیم، دمای مرکز در نهایت به 100 درجه سانتی گراد می رسد و محتویات آب شروع به جوشیدن می کند، مرکز را خشک می کند و گرما را به عنوان بخار به لایه های بیرونی منتقل می کند. این نیز بر خواص الکترومغناطیسی سیب زمینی تأثیر می گذارد. مدل ساده جذب مایکروویو و هدایت حرارتی که در اینجا استفاده شده است، این اثرات غیرخطی را نشان نمی‌دهد. با این حال، این مدل می تواند به عنوان نقطه شروعی برای تجزیه و تحلیل پیشرفته تر عمل کند.
شکل 4: میدان الکتریکی تغییر شکل یافته و توزیع دما پس از 5 ثانیه گرمایش. سایز کامل (بالا) و نیم سایز (پایین).
در این مدل مثال، برای مدل‌سازی عددی ساده‌تر و سریع‌تر، خواص مواد سیب‌زمینی با افزایش دما ثابت فرض می‌شود. برای انجام جفت فیزیک یک طرفه از الکترومغناطیسی در حوزه فرکانس به انتقال حرارت در حوزه زمان، از مراحل مطالعه چندگانه پیکربندی شده دستی استفاده می کند. جفت فیزیک دو طرفه دو طرفه بین الکترومغناطیسی و انتقال حرارت، با استفاده از یک مرحله مطالعه چندفیزیکی از پیش تعریف شده، در نمونه دیگری از Application Libraries، RF Heating ، بررسی شده است .
یک دنباله مطالعه گرمایش الکترومغناطیسی یک طرفه و فرکانس گذرا اضافه کنید که یک نوع مطالعه دامنه فرکانس برای واسط امواج الکترومغناطیسی، دامنه فرکانس و سپس یک نوع مطالعه وابسته به زمان برای رابط انتقال حرارت در جامدات اضافه کنید .
6 |
اکنون می توان از تقارن آینه ای مدل با برش دادن هندسه و تنها شبیه سازی نیمی از مدل بهره برداری کرد. برای این منظور، یک اتحادیه از تمام هندسی ها تشکیل دهید و با بلوکی که فقط نیمی از مدل را شامل می شود، یک تقاطع بسازید.
تعاریف انتخاب های زیر را ایجاد کنید تا انتخاب دامنه و مرز آسان تر شود. توجه داشته باشید که اگر در یافتن اعداد خاص مشکل دارید، همیشه می توانید View > Selection List را انتخاب کنید.
برای بخش الکترومغناطیسی مشکل، با تعریف پورت ورودی شروع کنید. در مدل کامل، می توانید از تنظیمات از پیش تعریف شده پورت مستطیلی بهره برداری کنید.
1 |
در نوار ابزار Physics ، روی Select Physics Interface کلیک کنید و Heat Transfer in Solids را انتخاب کنید .
1 |
اگر می خواهید پورت را به صورت دستی پیکربندی کنید، پورت Rectangular را می توان با User تعریف شده جایگزین کرد که در آن مولفه z میدان الکتریکی cos(pi*y/dg)[V/m] و ثابت انتشار 2*pi/ است. c_const*sqrt(freq^2-c_const^2/(4*dg^2)) .
فیزیک انتقال حرارت به لطف ویژگی جفت گرمایش الکترومغناطیسی به طور خودکار از منبع گرمای الکترومغناطیسی فیزیک امواج الکترومغناطیسی استفاده می کند.
1 |
4 |
6 |
پنجره Graphics توزیع دما را در سطح سیب زمینی بعد از 5 ثانیه نشان می دهد. برای بازتولید شکل 4، واحد را به degC تغییر دهید .
2 |
2 |
2 |
2 |
1 |
4 |
یک نقطه از زمان را برای خروجی انتخاب کنید. از آنجایی که پارامترهای مواد سیب زمینی مستقل از دما هستند، مهم نیست چه زمانی را انتخاب کنید.
نتیجه 631 W است. در نهایت، برای بازتولید شکل 3 ، نمودار دما را در مرکز سیب زمینی به عنوان تابعی از زمان ایجاد کنید.
2 |
3 |
4 |
5 |
نمودارهای پیش فرض مدل نیم سایز را مرور کنید و آنها را تغییر دهید تا نتایج خود را با نتایج مدل اندازه کامل مقایسه کنید.
2 |
2 |
1 |
2 |
در پنجره Model Builder ، در بخش Results>Resistive Heating Half Model روی Isosurface کلیک راست کرده و Delete را انتخاب کنید .
2 |
1 |
7 |
2 |
