автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.10, диссертация на тему:Процесс взаимодействия электромагнитных волн с термопараметрическими материалами в волноводных и резонаторных структурах

На правах рукописи

САЛАХОВ Тимур Рамилевич

ПРОЦЕСС ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН С ТЕРМОПАРАМЕТРИЧЕСКИМИ МАТЕРИАЛАМИ В ВОЛНОВОДНЫХ И РЕЗОНАТОРНЫХ СТРУКТУРАХ

Специальность 05.09.10 — Электротехнология

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Саратов 2006

Диссертация выполнена в ГОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет»

Научный руководитель

Заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор Коломейцев Вячеслав Александрович

Официальные оппоненты

Заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор Пронин Виталий Петрович доктор технических наук, профессор Кошелев Василий Сергеевич

Ведущая организация

ЗАО «Тантал-СКБ», г. Саратов

Защита состоится 15 декабря 2006 г. в 14е2 часов на заседании диссертационного совета Д212.242.10 при Саратовском государственном техническом университете по адресу: 410054, Саратов, ул. Политехническая, 77, Саратовский государственный технический университет, корп. 1, ауд. 414.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке Саратовского государственного технического университета (410054, Саратов, ул. Политехническая, 77).

Автореферат разослан М ноября 2006 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Казинский A.A.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Широкое распространение среди электротехнологических процессов термообработки диэлектрических материалов получил нагрев посредством электромагнитной энергии сверхвысоких частот. Преимуществами данного способа являются: интенсификация процесса, «стерильность», возможность достижения равномерного распределения тепловых источников по всему объему материала, автоматическое управление посредством изменения уровня подводимой СВЧ мощности и частоты. Основная сложность при СВЧ воздействии заключается в том, что собственные электродинамические параметры рабочей камеры зависят от формы обрабатываемого материала и от его электро- и теплофизических параметров, которые, как правило, имеют нелинейную зависимость от температуры. При этом высокую равномерность распределения температуры позволяют достичь электротехнологические установки специализированного назначения, например, на основе камер с бегущей волной. В то же время использование данного класса установок возможно для малого числа материалов с определенными свойствами и формой, что существенно сокращает их номенклатуру. Более универсальными являются СВЧ установки резонаторного типа, позволяющие обрабатывать объекты различной формы и с различными свойствами. При этом наиболее острой проблемой является обеспечение равномерного нагрева. Кроме того, универсальность камер со стоячей волной приводит к тому, что найти аналитическое решение внутренней краевой задачи электродинамики и теплопроводности (ВКЗЭиТ) даже для простых резонаторных структур (прямоугольной, цилиндрической) становится невозможным из-за разнообразия форм материалов и изменения их параметров в рабочем диапазоне температур. В любом случае для достижения требуемого уровня равномерности температуры нагрева, как для узкоспециализированных волноводных, так и для универсальных резонаторных рабочих камер, необходимо иметь возможность на стадии проектирования оценить влияние подвергаемого воздействию СВЧ энергии образца на собственные электродинамические параметры установки. Одним из путей решения этой задачи является экспериментальный метод подбора конструкций и режимов работы. Но такой подход требует больших затрат времени и ресурсов и существенно ограничен возможностями измерительных устройств. В то же время возможности современной вычислительной техники позволяют решить данную задачу, а также моделировать процессы в установке численными методами. Таким образом, исследование процессов взаимодействия электромагнитных волн с диэлектрическими термопараметрическими материалами в волноводных и резонаторных структурах представляет собой актуальную и практически важную задачу, поскольку позволяет расширить класс материалов, подвергаемых воздействию СВЧ энергии, и повысить равномерность и качество нагрева. Решение данной задачи требует создания математической модели процесса взаимодействия электромагнитных волн с термопараметрическими средами и разработки эффективных численных методов решения совместной ВКЗЭиТ.

Цель работы — исследование процесса взаимодействия электромагнитных волн с диэлектрическими материалами в резонаторных и волноводных

структурах при изменении физических свойств обрабатываемого материала в рабочем диапазоне температур, расширение номенклатуры материалов, подвергаемых СВЧ термообработке, и повышение равномерности нагрева в камере ре-зонаторного типа.

Методы исследования. Для решения поставленных задач были использованы: методы математической физики; элементы векторного анализа; метод конечных разностей (МКР); метод быстрого преобразования Фурье (БПФ); линейная алгебра и геометрия; метод разделения переменных; комбинированный численно-аналитический метод; методы экспериментального исследования.

Научная новизна:

- предложены оперативная математическая модель, алгоритм и программа численного решения внутренней краевой задачи электродинамики и теплопроводности на основе метода конечных разностей и быстрого преобразования Фурье (БПФ), позволяющие провести комплексный анализ электродинамических и тепловых свойств произвольных рабочих камер СВЧ установок с применением волноводов и резонаторов при термообработке диэлектрических материалов;

- предложена методика численного анализа электродинамических и тепловых свойств СВЧ установок волноводного и резонаторного типов, предназначенных для нагрева диэлектрических термопараметрических материалов;

- выполнен комплексный численный анализ электродинамических свойств рабочих камер СВЧ установок волноводного и резонаторного типов для материалов с изменяющимися физическими свойствами в рабочем диапазоне температур, позволяющий определить условия обеспечения требуемого электротехнологического процесса;

- установлены критерии обеспечения требуемого электротехнологического процесса обработки термопараметрических материалов в резонаторных СВЧ нагревательных установках и повышения равномерности и качества термообработки;

- предложен способ повышения равномерности нагрева термопараметрических материалов в прямоугольной резонаторной камере при СВЧ нагреве в одномодовом режиме на частоте, близкой к резонансной частоте камеры, посредством введения вдоль боковых стен резонатора диэлектрических вставок с высоким значением диэлектрической проницаемости и теплового сопротивления.

Практическая значимость:

- разработаны алгоритм и программа, позволяющие проводить численное моделирование СВЧ установки нагрева термопараметрического материала во временной области;

- определен характер поведения частот собственных колебаний прямоугольного резонатора при изменяющихся электродинамических свойствах обрабатываемого диэлектрического материала, что позволяет при проектировании рабочей камеры для заданного технологического процесса термообработки материала с известными физическими свойствами оценить собственные частоты резонатора с учётом физических и геометрических свойств обрабатываемого образца;

- предложено для классификации СВЧ нагревательных камер на основе резонаторной структуры на камеры лучевого и резонаторного типов по виду возбуждаемого электромагнитного поля использовать соотношение объёма материала и рабочей области камеры и произведение co-tgS, основании предложенных критериев было проведено исследование и установлен преобладающий тип поля, возбуждаемого в рабочей камере;

- предложено для выравнивания температуры нагрева термопараметрических материалов в прямоугольной резонаторной камере вводить вдоль боковых стен камеры диэлектрические вставки с высоким значением диэлектрической проницаемости, и определены габаритные размеры камеры, физические свойства и размеры вставок, при которых низшая собственная частота близка к возбуждающей частоте и для некоторых материалов достигается эффективное выравнивание температуры нагрева по всему объёму;

- предложена методика, позволяющая определять параметры процесса СВЧ термообработки при проектировании конвейерных СВЧ установок на основе ПВТР или П-волновода, устанавливать связь между временем термообработки, заданной температурой на выходе и напряжённостью электрического поля, возбуждаемого на входе в рабочую камеру.

Достоверность и обоснованность полученных результатов обусловлена применением математически обоснованных методов решения и точностью формулировки граничных условий для внутренней краевой задачи электродинамики. Кроме того, произведен ряд численных экспериментов, показавших, что результаты расчёта с помощью предложенных методик совпадают с результатами аналитического решения исследованных задач.

Реализация результатов. Результаты исследований внедрены в учебном процессе и НИР, проводимых кафедрой «Радиотехника» СГТУ, а также могут быть использованы на предприятиях радиоэлектронной промышленности г. Саратова: Саратовский филиал института радиотехники и электроники РАН РФ, ГШ ill «Алмаз-Фазотрон», ОАО «КБ Электроприбор», ЗАО «Тантал-СКБ».

Апробация работы. Результаты диссертационной работы были доложены и обсуждены на Международных научно-технических конференциях «Радиотехника и связь», Саратов: СГТУ, 2004, 2005, 2006.

Публикации. По результатам исследований, проведенных в рамках данной диссертации, опубликовано 13 печатных работ.

Структура и объём диссертационной работы. Диссертационная работа содержит 200 страниц, состоит из введения, трёх глав и заключения, включает 78 рисунков и список использованной литературы из 85 наименований.

На защиту выносятся:

- оперативная математическая модель, алгоритм программы численного решения внутренней краевой задачи электродинамики и теплопроводности для волноводных и резонаторных структур с частичным термопараметрическим заполнением на основе метода конечных разностей и быстрых преобразований Фурье;

б

- методика численного анализа и комплексные исследования электродинамических свойств рабочих камер СВЧ установок резонаторного и волновод-ного типов при изменении физических свойств обрабатываемого материала в рабочем диапазоне температур;

- основные условий обеспечения требуемого электротехнологического режима термообработки диэлектрических материалов с изменяющимися электрофизическими и тепловыми свойствами в процессе нагрева в СВЧ установках резонаторного типа;

- повышение равномерности нагрева термопараметрических материалов в прямоугольной резонаторной камере при СВЧ нагреве в одномодовом режиме на частоте, близкой к резонансной частоте камеры, посредством введения вдоль боковых стен резонатора вставок с высоким значением диэлектрической проницаемости.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, сформулированы цель, изложены задачи, решенные в ходе проведенного исследования, отражена научная новизна и показана практическая значимость диссертационной работы, представлены сведения об её апробации, описаны структура и объём диссертации, кратко раскрыто содержание её разделов.

В первой главе сформулирована совместная внутренняя краевая задача электродинамики и теплопроводности (ВКЗЭиТ) для рабочих камер электротехнологических СВЧ установок нагрева термопараметрических материалов на основе резонаторных и волноводных структур, базирующаяся на системе дифференциальных уравнений Максвелла, уравнении теплопроводности и совокупности граничных и начальных условий применительно к процессу термообработки диэлектрического термопараметрического материала. Обоснован выбор и более детально рассмотрен метод конечных разностей (МКР), позволяющий осуществлять решение ВКЗЭиТ, реализуя последовательное приближение. Предложено вариационное решение ВКЗЭиТ во временной области для резонаторных и волноводных структур, частично заполненных термопараметрическим материалом на основе МКР.

Для решения ВКЗЭиТ предлагается дискретизировать исследуемое пространство и время, так, как показано на рис. 1. При таком расположении в узлах, соответствующих внутренней поверхности стенок исследуемой камеры, компоненты определяются в соответствии с граничными условиями. Например, если нижняя грань куба, изображенного на рис. 1, является металлической стенкой ка-•меры, то определяемые на ней Ёх, Ег, Ну равны нулю. Остальные ком-

и.

к2*

Ех_<нм*1.к«1)

Рис. 1. Представление трёхмерного пространства для исследования электромагнитных полей

поненты электромагнитного поля будут определяться из набора сеточно-разностных выражений вида (1) и (2), эквивалентных систем дифференциальных уравнений Максвелла, которые получаются путем замены всех производных разностными операторами.

г / I

Я"";0 + 7/2,у +1/2,к)-Нр(1 +112,] - 1/2,к) Ау

£"(1 + 1/2,],к) * £;-'(/ + 1/2,],к)+ —

(1)

Аг

Аналогичные уравнения получаются для е>, Е- компонент поля.

Н*1' (/,у + 1/2,к +1/2) » Нр (*,у +1/2, к +1/2)+—

И

Е;(и+1/2,к+;)-£;(/, у+1/2,к)

(2)

А

_ Е ; (/, у + У, А + 7/2 )- д; (у. у. * + У/2 )1

_ 1

Аналогичные уравнения получаются для я,, Я, компонент поля.

В полученных выражениях Ау.Дг - это расстояния между двумя соседними узлами, Дг - длительность временной итерации п. Дробное значение индексов показывает смещение узлов, как в пространстве, так и во времени. Величины Дх,Ау,Дг могут быть переменной длины, это необходимо для того, чтобы в случае криволинейной ограничивающей поверхности эти поверхности было возможно аппроксимировать при помощи предложенного сеточного разбиения. В случае частичного заполнения исследуемого пространства диэлектрическим материалом для выполнения граничных условий на поверхности диэлектрика необходимо, чтобы она «аппроксимировалась» сеточными плоскостями -сторонами куба (рис. 1). Для учёта влияния изменения физических свойств на электромагнитное поле после каждой временной итерации все параметры материала пересчитываются в соответствии с текущей температурой в каждом исследуемом узле, найденной из уравнения теплопроводности. Затухание волн, вызванное потерями энергии на нагрев диэлектрика, учитываются путём пересчёта значений проекций Ёа в момент времени п-1 посредством выражения:

Е-'(г )=£>"-(? )■ \*«В"<*.» - , (3)

" «' Д[ е(Г(га)) е(Г(га))

где Е'а"1 (га) - исходное текущее значение напряжённости электрического поля.

Для решения тепловой части ВКЗЭиТ температуру предлагается вычислять в вершинах (и,к) «сеточных кубов» (рис. 1). Уравнения, описывающие тепловые источники, и уравнение теплопроводности заменяются эквивалентными разностными уравнениями (4) и (5) соответственно.

где (/, Л ^ ('»У> ^^ (»»7. Л) - находятся посредством интерполяции значений соседних узлов.

'"П. У ) « Г"' (I, У, * ) + ат О'(¡, у, к ))■ А г ■

'/-' (I + /. у. к)-2-Г" (г, ],к) + 1Г/ -1,},к) +

--------------------. +-------------------------------- I I--------------------

(л*У (5)

т2 (Дг>2 ] ст^им-ж^им

В работе было установлено, что для получения устойчивого решения ВКЗЭ необходимо выполнение неравенства (6), а для устойчивого решения ВКЗТ - условия (7):

0.5 тт[ Ax.Ay.AzJ> / це А т , (6)

¿г <; (Ас)1. (Я(0)/(6. (0,(0). ((М0)+(0,(0)■ Ас)). (7)

На основании приведённых алгебраических выражений в работе была получена оперативная математическая модель решения ВКЗЭиТ для резонатор-ных и волноводных структур с частичным диэлектрическим термопараметрическим заполнением, сводящая решение неоднородной системы уравнений Максвелла к последовательному пересчёту текущих значений напряжённостей электрического, магнитного полей и температуры нагрева обрабатываемого материала. В работе был приведен алгоритм, реализующий предложенную оперативную модель и позволяющий проводить моделирование СВЧ нагревательной установки, состоящей из рабочей камеры на основе резонаторной или волно-водной структуры передающего тракта в виде волноводной структуры и возбуждающего магнетрона. Упрощённо предложенный алгоритм состоит из нескольких этапов. Первоначально задаются геометрические параметры рабочей камеры, передающего тракта и нагреваемого образца, описываются физические свойства обрабатываемого материала и рабочей среды камеры. Проводится разбиение исследуемой структуры на отдельные простые области О/, О г,.. Олг, позволяющие наложить прямоугольную сетку. Области выбираются так, что поверхность соприкосновения с соседней представляет плоскость, включающую в себя грани сеточных кубов, а на плоскости сопряжения и с той и с другой стороны располагались одни и те же Е- и Я- компоненты. Если исследуемая структура не замкнута, «на область разрыва» достраиваются РАЯ,-слои. Вторым этапом дискретизируются полученные области на ячейки вида рис. 1. На третьем этапе определяются граничные и начальные условия для областей, после чего выполняется вычисление на каждом временном отсчёте, начиная со 2-го, Е- и Н- компонент, соответствующих внутренним узлам, на основании выражений (1), (2). Для компонент, лежащих на плоскостях сопряжения, необходимо достраивать в одной из смежных областей сеточный слой второй области, удовлетворяющей уравнениям (1), (2). Компоненты оставшихся узлов определяются граничными условиями. В случае наличия сторонних токов и диэлектрических материалов они учитываются путём локализации их местоположения в сеточных координатах соответствующих областей и пересчётом электрических составляющих с выражением (3). Если материал термопараметрический, то на каждом итерационном этапе пересчитываются физические свойства материала в зависимости от текущей температуры.

Во второй главе предложено для исследования явлений, возникающих при взаимодействии электромагнитного поля с диэлектрическими материалами,

и нахождения собственных параметров исследуемой структуры совместно с предложенным численным решением ВКЗЭиТ использовать метод быстрого преобразования Фурье (БПФ). Совместное использование метода БПФ и предложенного численного решения ВКЗЭиТ на основе метода МКР позволяет не только отслеживать изменение любой из шести составляющих электромагнитного поля в заданной точке исследуемого пространства, но и вычислять частотный спектр возбуждаемых в рабочей камере волн. Для вычисления собственных электродинамических параметров исследуемой резонаторной структуры возбуждающее воздействие в исследуемой области необходимо задавать в виде дельта-функции 8(0, в этом случае спектральная плотность возбуждаемого колебания соответствует белому шуму, что позволит определить все собственные частоты исследуемой камеры. Поскольку предложенный способ решения ВКЗЭиТ разбивает временной отрезок моделирования возбуждающего воздействия на отдельные итерации малой длины Ат, то численно дельта-функция приводится к виду прямоугольного импульса бесконечно малой длины Ат. Поэтому ширина спектра при предложенном численном моделировании имеет конечную длину, обратно пропорциональную длительности Ат. При этом выполнение условий (6) и (7) позволяет вычислять с помощью метода БПФ собственные колебания исследуемой структуры в диапазоне, достаточном для расчёта и выбора рабочих частот заданного электротехнологического процесса термообработки. В работе подробно рассмотрены аспекты совместного использования предложенного алгоритма и метода БПФ.

На основании выражения для поверхностного тока (8) было предложено также использовать соотношения (1), (2) для нахождения амплитуд и силовых линий поверхностных токов на граничных поверхностях исследуемых структур в заданный момент времени:

(8)

Основная сложность при этом заключается в том, что при предложенном способе дискретизации исследуемой области на граничной поверхности вычисляются только нормальные к ней составляющие магнитного поля, которые равны нулю. Поэтому при определении поверхностных токов значение танген-сальных напряжённостей магнитноп поля на граничной поверхности интерполируются из узлов приграничного слоя. Поскольку для получения устойчивого численного решения ВКЗЭиТ необходимо, чтобы компоненты электромагнитного поля между соседними узлами изменялось незначительно, для визуализации силовых линий и определения амплитуды токов этого достаточно. В работе был смоделирован ряд задач, имеющих анали-

Рис. 2. Относительная погрешность вычисления частоты моды в зависимости от А / д*; * - экспериментально определённые точки

тическое решение, что показало соответствие данных, полученных в результате вычислений, исходным аналитическим данным. Также на примере прямоугольной резонаторной камеры была вычислена структура поверхностного тока при

В работе было проведено исследование вычислительной погрешности нахождения спектра возбуждаемых волн. На рис. 2 приведена зависимость вычислительной погрешности определения частоты возбуждаемых мод от соотношения длины волны X и шага дискретизации пространства Ах (Лх=Лу=Лг), аналогичная зависимость была получена в работе для амплитуды мод — рис. 3. На основании полученных данных установлено, что при выполнении условия X/ Ах >40 можно принять, что погрешность амплитуды предложенной методики составляет ЗА-0.19%, а погрешность частоты 5/ & 0.002%. Также можно отметить, что частота находится с точностью того же порядка и при меньших значениях Я/Ах, а точность вычисления амплитуды оказывается более зависимой от соотношения Я/Ах, при выполнении условия Я/Ах <40 .

В третьей главе проведено исследование влияния изменения физических свойств термопараметрического материала на собственные электродинамические параметры нагревательной камеры в рабочем диапазоне температур на основании методики, предложенной во второй главе. Было установлено, что при увеличении диэлектрической проницаемости весь спектр собственных колебаний уменьшается практически на одну и ту же величину. Кроме того, было установлено, что при изменении диэлектрической проницаемости происходит смена основного колебания рассматриваемой структуры. Таким образом, при расчёте собственной частоты рабочей камеры, на которой должна вестись обработка для достижения оптимального режима работы, необходимо не только найти спектр собственных частот с учётом обрабатываемого материала, но и определить низший тип колебаний. В работе на примере приведена последовательность действий для нахождения спектра собственных колебаний и определения низшей частоты при частичном заполнении рабочей камеры. Полученные зависимости позволяют оценить ожидаемые низшие собственные колебания частично заполненной прямоугольной нагревательной камеры при проектировании электротехнологического устройства СВЧ нагрева при известных параметрах обрабатываемого материала.

В работе было предложено для классификации СВЧ нагревательных камер на основе резонаторной структуры на камеры лучевого и резонаторного типов по виду возбуждаемого электромагнитного поля использовать соотноше-

моделировании возбуждения моды Нюь

<57/,'1 ' • 1 ] ! ! : !

% ( ; | ; ;

Рис. 3. Относительная погрешность вычисления амплитуды моды в зависимости от Я / Дх; * - экспериментально определённые точки

и

Рис. 4. Доли энергии тепловых потерь при:

= 70'с"1 (1); й)-1г5 = ю' С'1 (2); а = 5 • /о' с"'(3);

вычисленные точки

ние объёма материала и рабочей области камеры и произведение а • tgS, характеризующие физические свойства материала.

На основании предложенных критериев было проведено исследова- '»/о ние структуры электромагнитного поля и установлен преобладающий тип поля, возбуждаемого в камере в зависимости от них. На рис. 4 приведена численно определённая диаграмма доли энергии тепловых потерь (й0'-™')-№0%. Введенные критерии позволяют оценить, каким типом поля предпочтительнее вести обработку заданного материала в резонаторной камере. Было

установлено, что при малом заполнении рабочей камеры обрабатываемым материалом, Уд/ур = 4.135- 1СГ3 (объём камеры в 240 раз больше объёма образца) вплоть до равенства а) •tgS = 5-109 с"1 нагрев ведётся преимущественно полем стоячих волн. При дальнейшем увеличении заполнения камеры до соотношения 1/80, поле стоячей волны преобладает только до равенства со • tgS = 10'с'1. Также можно отметить, что при й)•tgS = 10'° с1 и больше, нагрев образца независимо от его объёма осуществляется в основном за счёт энергии распространяющегося поля. При G)•tg5 = 107 с*1 и меньше, практически независимо от объёма поглощающего материала (вплоть до заполнения 3 к 5) преобладает поле стоячей волны, а при увеличении co•tg5 до 108 с"1 на характер поля начинает влиять соотношение объёмов.

В работе была рассмотрена СВЧ камера нагрева термопараметрических материалов на основе прямоугольного резонатора. Перспективность данной камеры определяется её конструктивной простотой изготовления и относительной универсальностью. Для повышения равномерности нагрева по сравнению с обычной камерой, в работе предлагается вводить вдоль боковых стен вставки с высокой диэлектрической проницаемостью. Толщина вставок, обеспечивающая эффективное выравнивание температуры по всему объёму образца, находится из численного эксперимента. При этом необходимо, чтобы термообработка осуществлялась на рабочей частоте, близкой к низшей собственной частоте частично заполненной камеры. При использовании возбуждающего генератора со стандартной частотой это достигается путём подбора размеров резонатора, таким образом, чтоб низшая собственная частота камеры, частично заполненной обрабатываемым материалом и диэлектрическими вставками, была близка к рабочей частоте. На примере материалов с известными физическими параметрами (мышечная ткань говядины, картофель, полиэтилен и полиметилметакрилат) была показана эффективность предложенного способа повышения равномерно-

сти нагрева. Для моделирования исследуемой камеры использовалась программа, выполненная в соответствии с алгоритмом, приведённым в первой главе. Для нахождения собственных параметров камеры использовалась методика, приведенная во второй главе. Полагая, что рабочей средой камеры является воздух, для граничной поверхности исследуемых образцов были заданы граничные условия третьего рода, для которых было составлено эквивалентное разностное выражение (9). В работе подробно показано приведение полученного разностного выражения к упрощённой форме в зависимости от принадлежности граничного узла граничной плоскости, ребру или вершине параллелепипеда.

• ж. 11 (t" (i.j.k ) - t" (i+, j,k ) t"(i, j,k )-t"(i,j+,k)

- X(t" (I, j,к J) • —!———--!-——-• cos a + ————--i-J——-—-cos ¡3 +

1 ^ (9)

)-

t " ( i, j,k ) - t " ( i, j, к + ) - . ... ......

' J Az - °S 7 ат(* (i'J-k )) -('"(t.J.k )- t^ ).

В качестве вставок предлагается использовать материал titania с диэлектрической проницаемостью е' »96 и тангенсом угла диэлектрических потерь tg 5 <. 0.0001 при частоте до 6 ГГц. Для образцов из мышечной ткани говядины и картофеля, заданных в форме параллелепипеда размером 0,08 х 0,06 х 0,08 м и размещённых в центре камеры было установлено, что при заданном размере камеры 0,24 х 0,18 х 0,24 м и введённых вдоль боковых стен вставок с толщиной, эффективной для равномерного нагрева, собственная низшая частота составляет 405,6 МГц и 380,2 МГц соответственно. Толщина вставок при этом равна 1,2 см. В качестве рабочей частоты для численного эксперимента была заданы частота 433 МГц. На рис. 5 приведено распределение температуры в центральном горизонтальном сечении образца из мышечной ткани говядины при отсутствии, а на рис. 6 при введении диэлектрических вставок. Необходимо отметить, что данное распределение характерно для всех горизонтальных сечений образца, за исключением близких к поверхности слоев, где существенно влияет тепловое излучение с поверхности образца, что более подробно показано в работе. Было установлено, что введение вставок увеличивает интегральный коэффициент равномерности нагрева К]Р ~(¡T(x,y,z)dV)/V • с 0,835 до 0,950 для мышечной ткани говядины и с

0,842 до 0,967 для картофеля. Из полученных рисунков изотерм видно, что основная неравномерность приходится на приграничные и граничные слои, что объясняется явлением теплоизлучения с поверхности и определяется коэффициентом теплоотдачи.

Аналогичный численный эксперимент был проведён для полимеров (полиэтилена, полиметилметакрилата) в форме параллелепипеда размером 0,0бх0,04х.0,06 м. Было установлено, что наибольшая равномерность нагрева достигается при толщине вставок 0,8 см. При размере камеры 0,12x0,08x0,12 м низшая собственная частота камеры с введенными в её центр образцом и вставками вдоль боковых стен составляет примерно 907 МГц для полиэтилена и для полиметилметакрилата. Введение вставок увеличивает интегральный коэффи-

циент равномерности с 0,805 до 0,974 для полиэтилена и с 0,788 по 0,965 для полиметилметакрилата. Как и в случае с пищевыми материалами, основная неравномерность температуры при введении диэлектрических вставок приходится на приграничные и граничные слои.

Рис. 5. Температура нагрева и соответствующие изотермы по горизонтальному сечению образца при нагреве мышечной ткани говядины без диэлектрических вставок

Рис. 6. Температура нагрева и соответствующие изотермы по горизонтальному сечению образца при нагреве мышечной ткани говядины с диэлектрическими вставками

Проведенное моделирование для двух групп схожих по параметрам материалов показало, что эффект выравнивания температуры нагрева достигается не только при строгом соответствии параметров расчётным данным. Это делает данный класс устройств более универсальным по сравнению с установками специализированного назначения, например, на основе камеры с бегущей волной, и существенно расширяет номенклатуру материалов, подвергаемых СВЧ термообработке.

В заключительной части главы была предложена методика, позволяющая установить непосредственную связь между основными параметрами процесса термообработки термопараметрических материалов в конвейерной СВЧ установке равномерного нагрева на основе волноводов сложных сечений. На основании этой методики для полиэтилена, полиметилметакрилата и воды были

т, с

х10

Рис. 7. Время термообработки полиэтилена в конвейерной СВЧ установке равномерного нагрева на основе ВСС

получены зависимости между температурой на выходе из рабочей камеры от времени воздействия тк и от амплитуды напряженности электрического поля Еувх на входе, которые были приведены к виду ткрю Е^. На рис. 7 приведена полученная зависимость для полиэтилена.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

- предложены оперативная математическая модель, алгоритм и программа численного решения ВКЗЭиТ на основе явной разностной схемы метода конечных разностей для волноводных и резонаторных структур, частично заполненных термопараметрическим диэлектрическим материалом;

- предложена методика численного анализа и комплексного исследования электродинамических свойств рабочих камер СВЧ установок резонаторного и волноводного типов на основе численных методов конечных разностей и быстрого преобразования Фурье при изменении физических свойств обрабатываемого материала в рабочем диапазоне температур, и оценена вычислительная погрешность нахождения амплитуды и частоты электромагнитных колебаний, возбуждаемых в исследуемой структуре; на основании предложенной методики проведен комплексный численный анализ электродинамических свойств рабочих камер СВЧ установок резонаторного и волноводного типов;

- проведено исследование собственных электродинамических параметров камеры на основе прямоугольного резонатора, частично заполненной термопараметрическим материалом, установлено, что всё множество частот собственных колебаний изменяется практически на одну и ту же величину, при равномерном изменении диэлектрической проницаемости материала, при этом происходит смена основного колебания; получены зависимости значений собственных частот камеры от электродинамических свойств обрабатываемого материала, что позволяет при проектировании рабочей камеры для заданного технологического процесса термообработки диэлектрического материала оценить собственные частоты рабочей камеры;

- предложено для классификации СВЧ нагревательных камер на основе резонаторной структуры на камеры лучевого и резонаторного типов по виду возбуждаемого электромагнитного поля использовать соотношение объёма материала и рабочей области камеры и произведение а ^З, характеризующие физические свойства материала, на основании предложенных критериев установлен преобладающий тип поля, возбуждаемого в камере (распространяющееся поле или поле стоячих волн), что позволяет при проектировании рабочей камеры для заданного электротехнологического процесса термообработки диэлектрического материала с известными физическими свойствами оценить, каким типом поля предпочтительнее вести обработку заданного материала;

- предложена методика определения зависимости времени термообработки от заданной температуры на выходе и напряжённости электрического поля, возбуждаемого на входе в рабочую камеру, позволяющая определять параметры электротехнологического процесса СВЧ термообработки в конвейерных СВЧ установках на основе ПВТР или П-волновода; найдены зависимости указанных величин для полиэтилена, полиметилметакрилата (оргстекла) и воды;

- для повышения равномерности нагрева термопараметрических материалов в рабочей камере на основе прямоугольного резонатора при обработке в од-номодовом режиме предложено вводить вдоль боковых стенок камеры диэлектрические вставки с высоким значением диэлектрической проницаемости; показано, что введение вставок позволяет существенно выровнять температурное поле по всему объёму образца, при условии, что нагрев осуществляется в одно-модовом режиме на частоте, близкой к низшей резонансной частоте собственных колебаний камеры;

- проведено моделирование процесса СВЧ нагрева мышечной ткани говядины, полиэтилена, полиметилметакрилата и картофеля в прямоугольном резонаторе при отсутствии и при введении вдоль боковых стен диэлектрических вставок; показано, что при использовании предложенной методики комплексного исследования электродинамических свойств рабочих СВЧ камер достаточно просто вычисляется критерий равномерности теплового поля - интегральный коэффициент равномерности нагрева; для образцов из указанных материалов определены габариты камеры, при которых низшая собственная резонансная частота камеры близка заданной возбуждающей частоте, а также определены интегральные коэффициенты равномерности нагрева для термообработки при отсутствии и введении диэлектрических вставок.

Результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Салахов Т.Р. Тепловые процессы в конвейерной СВЧ установке поперечного типа на основе ПВТР/ A.C. Журавлёв, Т.Р. Салахов, Д.И. Карпов// Функциональные устройства низких и сверхвысоких частот: межвуз. науч. сб. Саратов: С1 ТУ, 2003. С. 58-62.

2. Салахов Т.Р. Структура теплового поля в термопараметрическом материале при конвейерной СВЧ термообработке в установке поперечного типа на основе ПВТР/ А.Р. Железняк, А.Н. Журавлёв, Т.Р. Салахов// Электро- и теплотехнологические процессы и установки: межвуз. науч. сб. Саратов: СГТУ, 2003. С. 98-104.

3. Салахов Т.Р. Анализ процесса нагрева полимерных материалов при конвейерной СВЧ термообработки в установках поперечного типа на основе ПВТР/ А.Н. Журавлёв, Т.Р. Салахов, С.Н. Чеглаков// Радиотехника и связь: материалы Междунар. науч. -техн. конф. Саратов: СГТУ, 2004. С. 186-192.

4. Салахов Т.Р. Методика прямого синтеза произвольного полого резонатора/ В.А. Коломейцев, Э.А. Семенов, Т.Р. Салахов, A.B. Савин// Радиотехника и связь: материалы Междунар. науч. -техн. конф. Саратов: СГТУ, 2004. С. 237-242.

5. Салахов Т.Р. Определение структуры электромагнитного поля замкнутого объёмного резонатора произвольной формы методом конечных разностей/ В.А. Коломейцев, Т.Р. Салахов, В.Н. Одуев, Е.А. Куриленко// Радиотехника и связь: материалы Междунар. науч. -техн. конф. Саратов: СГТУ, 2005. С. 246-249.

6. Салахов Т.Р. Численное определение мод, возбуждаемых в объёмном резонаторе, частично заполненном диэлектриком/ В.А. Коломейцев, Т.Р. Салахов, В.Н. Одуев, Е.А. Куриленко// Радиотехника и связь: материалы Междунар. науч. -техн. конф. Саратов: СГТУ, 2005. С. 250-253.

7. Салахов Т.Р. Структура электромагнитного поля в квазистационарных волноводах сложных сечений и многореберных волноводах с частичным диэлектрическим заполнением/ В.А. Коломейцев, A.C. Журавлёв, Т.Р. Салахов, М.Н. Журавлёва // Радиотехника и связь: материалы Междунар. науч. -техн. конф. Саратов: СГТУ, 2005. С. 254-266.

8. Салахов Т.Р. Численное определение поверхностных токов в прямоугольном резонаторе, частично заполненном диэлектриком / В.А. Коломейцев, Т.Р. Салахов// Радиотехника и связь: материалы Междунар. науч. -техн. конф. Саратов: СГТУ, 2006. С. 224-232.

9. Салахов Т.Р. Численный метод совместного решения внутренней краевой задачи электродинамики и теплопроводности для резонаторных структур с частичным термопараметрическим заполнением/ Т.Р. Салахов, А.Э. Семенов// Радиотехника и связь: материалы Междунар. науч. -техн. конф. Саратов: СГТУ, 2006. С. 233-238.

10. Салахов Т.Р. Частота собственных электромагнитных колебаний прямоугольного резонатора, частично заполненного термопараметрическим материалом / Т.Р. Салахов, И.И. Салимов// Радиотехника и связь: материалы Междунар. науч. -техн. конф. Саратов: СГТУ, 2006. С. 239-246.

11. Салахов Т.Р. Вычислительная погрешность численного определения амплитуды и частоты исследуемых электромагнитных волн/ Т.Р. Салахов, A.C. Тихонов// Радиотехника и связь: материалы Междунар. науч. -техн. конф. Саратов: СГТУ, 2006. С. 246-254.

12. Салахов Т.Р. Система уравнений плотности тепловых источников стоячих волн в камере на основе резонаторных структур/ Т.Р. Салахов, A.C. Тихонов// Радиотехника и связь: материалы Междунар. науч. -техн. конф. Саратов: СГТУ, 2006. С. 255-261.

13. Салахов Т.Р. Численный метод исследования процесса преобразования электромагнитной энергии в тепловую в термопараметрическом материале, расположенном в резо-наторной структуре/ В.А. Коломейцев, Т.Р. Салахов// Вестник СГТУ. 2006. № 3. Вып. 2. С. 12-17.

Салахов Тимур Рамилевич

ПРОЦЕСС ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН С ТЕРМОПАРАМЕТРИЧЕСКИМИ МАТЕРИАЛАМИ В ВОЛНОВОДНЫХ И РЕЗОНАТОРНЫХ СТРУКТУРАХ

Автореферат Корректор О.А. Панина Лицензия ИД №06268 от 14.11.01.

Подписано в печать 02.11.06. Формат 60 х 84 1/16

Бум. тип. Усл.-печ.л. 1,0 Уч.-изд.л. 1,0

Тираж 100 экз. Заказ 459 Бесплатно

Саратовский государственный технический университет 410054 г. Саратов, ул. Политехническая, 77

Отпечатано в РИЦ СГТУ, 410054 г. Саратов, ул. Политехническая, 77

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1 Математическое моделирование процесса преобразования электромагнитной энергии в тепловую в термопараметрическом материале в СВЧ установках волноводного и резонаторного типов.17

1.1 Математическая модель процесса нагрева термопараметрических материалов в СВЧ установках волноводного и резонаторного типов.

1.2 Методы решения внутренней краевой задачи электродинамики и теплопроводности для рабочих камер резонаторного и волноводного типа частично заполненных термопараметрическим материалом.

1.3 Оперативная математическая модель численного решения совместной ВКЗЭиТ для произвольных волноводных и резонаторных структур, частично заполненных термопараметрическим материалом.

1.4 Алгоритм и программа численного решения ВКЗЭиТ для устройств СВЧ нагрева термопараметрических материалов на основе волноводных и резонаторной структуры.

Глава 2 Исследование взаимодействия электромагнитного поля с диэлектрическим термопараметрическим материалом в установках СВЧ нагрева на основе резонаторных и волноводных структур.75

2.1 Численное определение собственных параметров и структуры электромагнитного поля.

2.2 Вычисление структуры поверхностного тока во временной области на граничной поверхности исследуемой волно-водной или резонаторной структуры

2.3 Вычислительная погрешность методики определения собственных параметров и структуры электромагнитного поля волноводных или резонаторных структур.

Глава 3 Электротехнология обработки термопараметрических материалов в СВЧ поле.113

3.1 Влияние изменения физических свойств термопараметрического материала на собственные электродинамические параметры нагревательной камеры в рабочем диапазоне температур.

3.2 Исследование структуры электромагнитного поля в рабочей камере, частично заполненной термопараметрическим материалом.

3.3 Исследование условий обеспечения равномерного СВЧ нагрева диэлектрических материалов в камере на основе прямоугольного резонатора.

3.4 Вычисление времени нагрева термопараметрического материала при СВЧ обработке в конвейерной установке поперечного типа с рабочей камерой на основе волноводов сложных сечений.

Широкое распространение среди электротехнологических процессов термообработки диэлектрических материалов получил нагрев посредством электромагнитной энергии сверхвысоких частот. Это вызвано рядом причин:

- интенсификацией процесса за счет объемного нагрева изделия;

- «стерильностью» в процессе воздействия;

- «хорошим качеством» обработки за счет более равномерного распределения удельных тепловых источников по всему по всему объему;

- возможностью автоматического управления технологическим процессом посредством изменения уровня подводимой СВЧ мощности и частоты.

В то же время использование СВЧ энергии обладает и рядом недостатков. Так, опасность электромагнитного излучения для обслуживающего персонала и современные мировые нормативы на излучение вынуждают предпринимать ряд дорогостоящих мер по защите окружающей среды и обслуживающего персонала [1]. Стоимость электроэнергии делает в ряде случаев не выгодным использование более качественного, но и более дорогого способа обработки материалов, и вынуждает добиваться повышения КПД электротехнологических установок СВЧ нагрева. Также существенным недостатком является то, что режим термообработки диэлектрических материалов зависит от их формы и от электро- и теплофизических параметров, которые, как правило, имеют нелинейную зависимость от температуры.

Последнее обстоятельство привело к тому, что электротехнологические установки специализированного назначения, например, на основе камер с бегущей волной, являются узкоспециализированными. Это позволяет добиться высокой равномерности нагрева обрабатываемого материала, но делает невозможным применение этой камеры для изделий иной формы или с иными свойствами [2,3].

Более универсальны СВЧ нагревательные установки резонатор-ного типа. Низкая стоимость изготовления и относительная универсальность камеры, позволяющая нагревать материалы различной формы и с различными свойствами, а также высокая безопасность эксплуатации позволили СВЧ резонаторным устройствам практически полностью занять нишу в пищевой промышленности и в сфере бытового применения. Однако в данных установках наиболее острой проблемой является обеспечение равномерного нагрева диэлектрических материалов, что связано с невозможностью возбуждения большого числа типов колебаний на заданной рабочей частоте.

Универсальность камер со стоячей волной приводит к тому, что найти аналитическое решение внутренней краевой задачи электродинамики и теплопроводности (ВКЗЭиТ) даже для простых резона-торных структур (прямоугольной, цилиндрической) становится невозможным из-за разнообразия и сложности форм изделий и изменения их параметров в процессе обработки. Поэтому решение (ВКЗЭиТ) можно получить в основном только численными и комбинированными методами (численно-аналитическими методами). При этом для установок на основе камер со стоячей волной актуальной является задача оптимизации, которая может проводиться по нескольким направлениям. В ряде случаев основным критерием при оптимизации служит повышение качества (равномерности) нагрева диэлектрических материалов.

Существуют различные способы достижения равномерности нагрева [4]:

- использование камер сложных форм, обеспечивающих однородное электрическое поле в месте размещения нагреваемого объекта [5];

- механическое перемещение нагреваемого объекта в рабочее камере [6];

- применение выравнивающих электромагнитное поле структур, таких как металлические решетки, гребни, механически перемещающиеся возбудители [7];

- использование нескольких источников излучения, различной частоты [8];

- изменение фазы излучаемых в резонаторе колебаний;

- путём усложнения геометрии резонаторной камеры достижение большого числа собственных колебаний возбуждаемых в резонаторе.

Все перечисленные методы имеют, как определённые достоинства, так и недостатки. Так, любой механически движущийся элемент снижает надежность системы и повышает ее стоимость, а вращение поддона с нагреваемым объектом приводит к возникновению радиальной неравномерности нагрева. Усложнение формы рабочей камеры ведёт к повышению технологической сложности ее изготовления. Использование нескольких источников излучения различной частоты увеличивает стоимость устройства и затраты на его использование, а также требует качественного согласования работы СВЧ источников.

В любом случае для достижения требуемого уровня равномерности температуры нагрева заданного материала, как для узкоспециализированных волноводных, так и для универсальных резонаторных рабочих камер, необходимо иметь возможность уже на стадии проектирования оценить непосредственное влияние обрабатываемого материала на параметры установки. Эта задача становится особенно актуальной и трудноразрешимой в случае нагрева термопараметрических материалов. Одним из путей решения этой задачи является экспериментальный метод подбора конструкций и режимов работы. Но такой подход требует, как больших затрат времени и ресурсов, так и существенно ограничен возможностями измерительных устройств. В то же время современные скорости вычислений и объемы памяти вычислительной техники позволяют решить задачу подбора параметров и конструкций, а также смоделировать всю установку в целом, численными методами.

Таким образом, исследование процессов взаимодействия электромагнитных волн с диэлектрическими термопараметрическими материалами в волноводных и резонаторных структурах и повышение уровня равномерности нагрева диэлектрических материалов, в наиболее распространенных установках резонаторного типа представляет собой актуальную и практически важную задачу, при изменении физических свойств обрабатываемого материала в рабочем диапазоне температур, поскольку позволяет резко расширить класс материалов, обрабатываемых в СВЧ нагревательных установках. Решение данной задачи требует создания математической модели процесса взаимодействия электромагнитных волн с термопараметрическими средами в резонаторных и волноводных структурах, разработки эффективных численных методов решения совместной внутренней краевой задачи электродинамики и теплопроводности для указанных систем.

Цель работы.

Исследование процесса взаимодействия электромагнитных волн с диэлектрическими материалами в резонаторных и волноводных структурах при изменении физических свойств обрабатываемого материала в рабочем диапазоне температур, расширение номенклатуры материалов, подвергаемых СВЧ термообработке и повышение равномерности нагрева в камере резонаторного типа.

Методы исследования.

Для решения поставленных задач были использованы: методы математической физики; элементы векторного анализа; метод конечных разностей (МКР); метод быстрого преобразования Фурье (БПФ); линейная алгебра и геометрия; метод разделения переменных; комбинированный численно-аналитический метод; методы экспериментального исследования.

Основные научные результаты, выносимые на защиту.

- оперативная математическая модель, алгоритм программы численного решения внутренней краевой задачи электродинамики и теплопроводности для волноводных и резонаторных структур с частичным термопараметрическим заполнением на основе метода конечных разностей и быстрого преобразования Фурье;

- методика численного анализа и комплексные исследования электродинамических свойств рабочих камер СВЧ установок резонаторного и волноводного типов при изменении физических свойств обрабатываемого материала в рабочем диапазоне температур;

- основные условия обеспечения требуемого электротехнологического режима термообработки диэлектрических материалов с изменяющимися электрофизическими и тепловыми свойствами в процессе нагрева в СВЧ установках резонаторного типа;

- повышение равномерности нагрева термопараметрических материалов в прямоугольной резонаторной камере при СВЧ нагреве в одномодовом режиме на частоте, близкой к резонансной частоте камеры, посредством введения вдоль боковых стен резонатора вставок с высоким значением диэлектрической проницаемости.

Научная новизна:

- предложены оперативная математическая модель, алгоритм и программа численного решения внутренней краевой задачи электродинамики и теплопроводности на основе метода конечных разностей и быстрого преобразования Фурье (БПФ), позволяющие провести комплексный анализ электродинамических и тепловых свойств произвольных рабочих камер СВЧ установок с применением волноводов и резонаторов при термообработке диэлектрических материалов;

- предложена методика численного анализа электродинамических и тепловых свойств СВЧ установок волноводного и резонаторного типов, предназначенных для нагрева диэлектрических термопараметрических материалов;

- выполнен комплексный численный анализ электродинамических свойств рабочих камер СВЧ установок волноводного и резонаторного типов для материалов с изменяющимися физическими свойствами в рабочем диапазоне температур, позволяющий определить условия обеспечения требуемого электротехнологического процесса;

- установлены критерии обеспечения требуемого электротехнологического процесса обработки термопараметрических материалов в резонаторных СВЧ нагревательных установках и повышения равномерности и качества термообработки;

- предложен способ повышения равномерности нагрева термопараметрических материалов в прямоугольной резонаторной камере при СВЧ нагреве в одномодовом режиме на частоте, близкой к резонансной частоте камеры, посредством введения вдоль боковых стен резонатора диэлектрических вставок с высоким значением диэлектрической проницаемости и теплового сопротивления.

Практическая значимость:

- разработаны алгоритм и программа, позволяющие проводить численное моделирование СВЧ установки нагрева термопараметрического материала во временной области;

- определен характер поведения частот собственных колебаний прямоугольного резонатора при изменяющихся электродинамических свойствах обрабатываемого диэлектрического материала, что позволяет при проектировании рабочей камеры для заданного технологического процесса термообработки материала с известными физическими свойствами оценить собственные частоты резонатора с учётом физических и геометрических свойств обрабатываемого образца;

- предложено для классификации СВЧ нагревательных камер на основе резонаторной структуры на камеры лучевого и резонаторного типов по виду возбуждаемого электромагнитного поля использовать соотношение объёма материала и рабочей области камеры и произведение a-tgS, на основании предложенных критериев было проведено исследование и установлен преобладающий тип поля, возбуждаемого в рабочей камере;

- предложено для выравнивания температуры нагрева термопараметрических материалов в прямоугольной резонаторной камере вводить вдоль боковых стен камеры диэлектрические вставки с высоким значением диэлектрической проницаемости, и определены габаритные размеры камеры, физические свойства и размеры вставок, при которых низшая собственная частота близка к возбуждающей частоте и для некоторых материалов достигается эффективное выравнивание температуры нагрева по всему объёму;

- предложена методика, позволяющая определять параметры процесса СВЧ термообработки при проектировании конвейерных СВЧ установок на основе ПВТР или П-волновода, устанавливать связь между временем термообработки, заданной температурой на выходе и напряжённостью электрического поля, возбуждаемого на входе в рабочую камеру.

Апробация работы.

Результаты диссертационной работы были доложены и обсуждены на:

- Международной научно-технической конференции «Радиотехника и связь», Саратов: СГТУ, 2004г;

- Международной научно-технической конференции «Радиотехника и связь», Саратов: СГТУ, 2005г;

- Международной научно-технической конференции «Радиотехника и связь», Саратов: СГТУ, 2006г.

Публикации.

По результатам исследований, проведенных в рамках данной диссертации, опубликовано 13 печатных работ.

Структура и объём диссертационной работы.

Диссертационная работа содержит 200 е., состоит из введения, трёх глав и заключения, включает 78 рисунков и список литературы из 85 наименований.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работы проведено решение актуальной задачи СВЧ энергетики - исследование процесса взаимодействия электромагнитных волн с диэлектрическими поглощающими материалами в резонаторных и волноводных структурах при изменении физических свойств обрабатываемого материала в рабочем диапазоне температур, позволяющие расширить номенклатуру материалов b ассортимент готовых изделий, подвергаемых термообработке посредством энергии сверхвысоких частот, и повысить равномерность нагрева в камере на основе резонаторной структуры. Основные результаты работы заключаются в следующем:

- предложены оперативная математическая модель, алгоритм и программа численного решения ВКЗЭиТ на основе явной разностной схемы метода конечных разностей для волноводных и резонаторных структур, частично заполненных термопараметрическим диэлектрическим материалом;

- предложена методика численного анализа и комплексного исследования электродинамических свойств рабочих камер СВЧ установок резонаторного и волноводного типов на основе численных методов конечных разностей и быстрого преобразования Фурье при изменении физических свойств обрабатываемого материала в рабочем диапазоне температур, и оценена вычислительная погрешность нахождения амплитуды и частоты электромагнитных колебаний, возбуждаемых в исследуемой структуре; на основании предложенной методики проведен комплексный численный анализ электродинамических свойств рабочих камер СВЧ установок резонаторного и волноводного типов;

- проведено исследование собственных электродинамических параметров камеры на основе прямоугольного резонатора, частично заполненной термопараметрическим материалом, установлено, что всё множество частот собственных колебаний изменяется на одну и ту же величину, при равномерном изменении диэлектрической проницаемости материала, при этом происходит смена основного колебания; получены зависимости значений собственных частот камеры от электродинамических свойств обрабатываемого материала, что позволяет при проектировании рабочей камеры для заданного технологического процесса термообработки диэлектрического материала оценить собственные частоты рабочей камеры;

- предложено для классификации СВЧ нагревательных камер на основе резонаторной структуры на камеры лучевого и резонаторного типов по виду возбуждаемого электромагнитного поля использовать соотношение объёма материала и рабочей области камеры и произведение co-tgS, характеризующие физические свойства материала, на основании предложенных критериев установлен преобладающий тип поля, возбуждаемого в камере (распространяющееся поле или поле стоячих волн), что позволяет при проектировании рабочей камеры для заданного электротехнологического процесса термообработки диэлектрического материала с известными физическими свойствами оценить, каким типом поля предпочтительнее вести обработку заданного материала;

- предложена методика определения зависимости времени термообработки от заданной температуры на выходе и напряжённости электрического поля, возбуждаемого на входе в рабочую камеру, позволяющая определять параметры электротехнологического процесса СВЧ термообработки в конвейерных СВЧ установках на основе ПВТР или П-волновода; найдены зависимости указанных величин для полиэтилена, полиметилметакрилата (оргстекла) и воды;

- для повышения равномерности нагрева термопараметрических материалов в рабочей камере на основе прямоугольного резонатора при обработке в одномодовом режиме предложено вводить вдоль боковых стенок камеры диэлектрические вставки с высоким значением диэлектрической проницаемости; показано, что введение вставок позволяет существенно выровнять температурное поле по всему объёму образца, при условии, что нагрев осуществляется в одномодовом режиме на частоте, близкой к низшей резонансной частоте собственных колебаний камеры;

- проведено моделирование процесса СВЧ нагрева мышечной ткани говядины, полиэтилена, полиметилметакрилата и картофеля в прямоугольном резонаторе при отсутствии и при введении вдоль боковых стен диэлектрических вставок; показано, что при использовании предложенной методики комплексного исследования электродинамических свойств рабочих СВЧ камер достаточно просто вычисляется критерий равномерности теплового поля - интегральный коэффициент равномерности нагрева; для образцов из указанных материалов определены габариты камеры, при которых низшая собственная резонансная частота камеры близка заданной возбуждающей частоте, а также определены интегральные коэффициенты равномерности нагрева для термообработки при отсутствии и введении диэлектрических вставок.

1. Пресман А.С. Электромагнитные поля и живая природа /А.С. Пресман. М.:Наука, 1968. 324с.

2. Железняк А.Р. СВЧ-устройства на основе волноводов сложного поперечного сечения для равномерного нагрева диэлектрических материалов: дисс. на соискание учёной степени к.т.н./ А.Р. Железняк. Саратов, 2001. 249с.

3. Салахов Т.Р. Тепловые процессы в конвейерной СВЧ установке поперечного типа на основе ПВТР/ А.С. Журавлёв, Т.Р. Салахов, Д.И. Карпов// Функциональные устройства низких и сверхвысоких частот: межвуз. науч. сб. Саратов: СГТУ, 2003. С. 58-62.

4. Салахов Т.Р. Методика прямого синтеза произвольного полого резонатора/ В.А. Коломейцев, Э.А. Семенов, Т.Р. Салахов, А.В. Савин// Радиотехника и связь: материалы Междунар. науч. -техн. конф. Саратов: СГТУ, 2004. С. 237-242.

5. Патент №5192842 США Н05В 6/64. Микроволновая печь, имеющая вращающийся поддон, который перемещается вверх и вниз при вращении/ Уилсон М., Конрад С. №3218441. Заявлено 05.01.87. Опублик. 20.1 1.93.// Изобретения стран мира 1993 №3 с.65.

6. Патент №2060599 РФ Н05В 6/64. Сверхвысокочастотная печь / Копылов В.В., Лысов Г.В., Письменко В.Ф. / Заявлено 15.04.93. Опубл. 20.05.96

7. Архангельский Ю.С. СВЧ элетротермия / Ю.С. Архангельский. Саратов: изд. Сарат. Гос. Техн. Ун-та, 1998. 408с.

8. Кугушев A.M. Основы радиоэлектроники: электродинамика и распространение радиоволн / A.M. Кугушев, Н.С. Голубева, В.Н.Митрохин. Учеб. пособие для вузов. М.: изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2001. 368с.

9. Григорьев А.Д. Электродинамика и техника СВЧ / А.Д. Григорьев. М.: Высшая школа, 1990. 335с.

10. Коломейцев В.А. Взаимодействие электромагнитных волн с поглощающими средами и специальные СВЧ-системы равномерного нагрева: дисс. на соискание учёной степенид.т.н. / В.А. Коломейцев. Саратов, 1999. 432с.

11. Гольдштейн Л.Д. Электромагнитные поля и волны: изд. 2е, переработанное и дополненное / Л.Д. Гольдштейн, Н.В. Зернов. М.: Изд-во «Советское радио», 1971. 662с.

12. Марков Г.Т. Возбуждение электромагнитных волн / Г.Т. Марков, А.Ф. Чаплин. М.: Энергия, 1967. 376с.

13. Баскаков С.И. Электродинамика и распространение радиоволн: учеб. пособие для вузов / С.И. Баскаков. М.: Высш. шк., 1992. 416с. .

14. Коломейцев В.А. Расчёт тепловых режимов радиоэлектронной аппаратуры: учеб. пособие / В.А. Коломейцев, В.В. Бабак, А.В. Цыганков. Саратов: Сарат. гос. тех. ун-т, 1999. -96с.

15. Бабак В.В. Микроволновые электротехнологические установки равномерного нагрева термопараметрических поглощающих СВЧ мощность диэлектрических материалов: дисс. на соискание учёной степени к.т.н. / В.В. Бабак. Саратов, 2001. 245с.

16. Беляев Н.М. Основы теплопередачи / Н.М. Беляев. Киев.: Высшая школа, 1989. 344с.

17. Исаченко В.П. Теплопередача / В.П. Исаченко, В.А. Оси-пова, А.С. Сукомел. М.: Энергоиздат, 1981. 416с.

18. Юдаев Б.Н. Техническая термодинамика. Теплопередача / Б.Н. Юдаев. М.: Высшая школа, 1988. -478с.

19. Дульнев Г.Н. Тепло- массообмен в электронной аппаратуре / Г.Н. Дульнев. М.: Высшая школа, 1984. 247с.

20. Арнольд J1.B. Техническая термодинамика и теплопередача / JI.B. Арнольд, Г.Х. Михайловский, В.М. Селиверстов М.: Энергия, 1979. 504с.

21. L. Feher, Simulationsrechnungen zur verfahrenstechnischen Anwendung von Millimeterwellen fur die industrielle Materialprozefltechnik, Wissenschaftliche Berichte, Forschungszentrum Karlsruhe, FZKA 5885, Aug. 1997.

22. Митра Р. Вычислительные методы в электродинамике / Р. Митра. М.:Мир, 1977. 356с.

23. Канторович JI.B. Приближённые методы высшего анализа / JI.B. Канторович, В.И. Крылов. М.-Л.:ГИФМЛ, 1962.478с.

24. Комаров В.В. Численный анализ нестационарных температурных полей в микроволновых технологических камерах на бегущей волне / В.В. Комаров, В.А. Коломейцев. // Электодинамические устройства и линии передачи СВЧ: МНС. Саратов: СГТУ, 2001. 123с.

25. Григорьев А.Д. Резонаторы и резонаторные замедляющие системы СВЧ: Численные методы расчёта и проектирования / А.Д. Григорьев, В.Б. Янкевич. М.: Радио и связь, 1984. 248с.

26. Т. Weiland, Eine Methode zur Losung der Maxwellschen Gleichungen fur sechskomponentige Felder auf diskreter Basis, Archiv Elektromagnetische bertragung, Jg. 31, Nr. 3, S. 116-120, 1977.

27. Самарский А.А. Теория разностных схем / А.А. Самарский. M.: Наука, 1977. 656с.

28. S. Yee Kane Numerical Solution of Initial Boundary Value Problems Involving Maxwell's Equations in Isotropic Media// Transactions on antennas and propagation, vol. AP-14, N08, mat.1966.

29. Сегерлинд JI. Применение метода конечных элементов / Л.Сегерлинд. М.: Мир, 1979. 392с.

30. П.Сильвестр, Метод конечных элементов для радиоинженеров и инженеров электриков / П.Сильвестр, Р. Феррари. М.: Мир, 1986. 229с.

31. D. Dibben and А. С. Metaxas, Finite Element Time Domain Analysis of Multimode Applicators Using Edge Elements, J. Microwave Power and Electromagn. Energy, vol. 29, no. 4, pp. 242-251, 1994.

32. Hano M. Finite element analysis of dielectric-loaded waveguides//IEEE trans. 1984. V.MTT -32.№10. P.1275-1279.

33. M. F. Iskander, R. L. Smith, A. Octavio, M. Andrade, H. Kimrey and L. M. Walsh, FDTD Simulation of Microwave Sintering of Ceramics in Multimode Cavities, IEEE Trans. Microwave Theory Tech., vol. 42, no. 5, pp. 793-800, May1994.

34. A. Taflove, Computational Electrodynamics: The Finite-Difference Time-Domain Method, Artech House, Boston, MA,1995.

35. Зенкевич О. Конечные элементы и аппроксимации / О. Зенкевич, К. Морган. М.: Мир, 1986. 318с.

36. S. Sundberg, P. Kildal and Т. Ohlsson, Moment Method Analysis of a Microwave Tunnel Oven, J. Microwave Power and Electromagn. Energy, vol. 33, no. 1, pp. 36-48, 1998.

37. Норри Д. Введение в метод конечных элементов / Д. Норри, де Фриз Ж. М.: Мир, 1981. 304с.

38. Заргано Г.Ф. Волноводы сложных сечений / Г.Ф. Заргано М.: Радио и связь, 1986. 124с.

39. Никольский В.В. Декомпозиционный подход к задачам электродинамики / В.В. Никольский, Т.Н. Никольская М.: Наука, 1983. 304с.

40. Григорьев А.Д. Численный расчёт электромагнитного поля в полых резонаторах и волноводах методами конечных элементов и конечных разностей / А.Д. Григорьев, С.А. Силаев, В.Б. Янкевич. // Электронная техника. Сер. Электроника СВЧ. 1978. Вып.5.С27-33.

41. Поршнев С.В. Вычислительная математика. Курс лекций. / С.В. Поршнев. -СПб.: БХВ-Петербург, 2004. 320с.

42. Пименов Ю.В. Техническая электродинамика / Ю.В. Пименов, В.И. Вольман. М.: Радио и связь, 2000. 536с.

43. Никольский В.В. Электродинамика и распространение радиоволн / В.В. Никольский, Т.Н. Никольская. М.: Наука,1989. 544с.

44. Коломейцев В.А. Микроволновые системы с равномерным объемным нагревом 4.1./ В.А. Коломейцев, В.В. Комаров. Саратов: Изд-во СГТУ, 1997. 160с.

45. J.-P. Berenger. A perfectly matched layer for the absorption of electromagnetic waves.//J. Comput. Phys., vol. 114, pp. 185-200, Oct. 1994.

46. D.S. Katz, E.T. Thiele, and A. Taflove Validation and extension to three dimensions of the Berenger PML absorbing boundary condition for FD-TD meshes.//IEEE Mikrowave Guided Wave Lett., vol.4, pp.344-246,Oct.1994.

47. Z.S. Sacks, D.M. Kingsland R. Lee, J.-F. Lee A perfectly matched anisotropic absorber for use as an absorbing bondary condition// IEEE Trans. Antennas Propagat, vol. 43, pp. 14601463, Dec. 1995.

48. E.A. Navarro, C. Wu, P.Y. Chung, J. Litva Application of PML superabsorbing boundary condition to non-orthogonl FDTD method// Electron. Lett., vol. 30, pp.1654-1656,1994.

49. Выгодский М.Я. Справочник по высшей математики / М.Я. Выгодский. М.:Джангар, 2001. 864с.

50. Единая система программной документации СХЕМЫ АЛГОРИТМОВ, ПРОГРАММ, ДАННЫХ И СИСТЕМ/

51. Условные обозначения и правила выполнения/ ГОСТ 19.701-90 (ИСО 5807-85)

52. Ануфриев И.Е. СамоучительМаиаЬ 5.3/6.x. / И.Е. Ануфриев. -СПб: БХВ-Петербург, 2003. 736с.

53. Форсайт Дж. Машинные методы математических вычислений / Дж. Форсайт, М. Малькольм, К. Мольер М.: Мир, 1980. 250с.

54. Блейхут П. Быстрые алгоритмы цифровой обработки сигналов: пер с англ. / П. Блейхут М.: Мир, 1989. 448с.

55. Б. Уидроу. Адаптивная обработка сигналов: пер. с англ. / Б. Уидроу, С. Стириз. М.: Радио и связь, 1989. 440с.

56. Дженкинс Г. Спектральный анализ и его приложения: пер. с англ. / Г. Дженкинс, Д. Ватте. М.: Мир, 1971. 316с.

57. Салахов Т.Р. Численное определение поверхностных токов в прямоугольном резонаторе, частично заполненном диэлектриком / В.А. Коломейцев, Т.Р. Салахов// Радиотехника и связь: материалы Междунар. науч. -техн. конф. Саратов: СГТУ, 2006. С. 224-232.

58. Робинсон Э.А. История развития теории спектрального оценивания / Э.А. Робинсон. Заказная статья: ТИИЭР. Т.70, №9, сентябрь 1982.

59. Зверев В.А. Выделение сигналов из помех численными методами / В.А. Зверев, А.А. Стромков. Нижний Новгород: ИПФ РАН, 2001. 188с.

60. Марпл К. Спектральный анализ: пер. с англ. / К. Марпл. М.: Мир, 1977. 552с.

61. Салахов Т.Р. Вычислительная погрешность численного определения амплитуды и частоты исследуемых электромагнитных волн/ Т.Р. Салахов, А.С. Тихонов// Радиотехника и связь: материалы Междунар. науч. -техн. конф. Саратов: СГТУ, 2006. С. 246-254.

62. Никольский Н.Н. Теория электромагнитного поля / Н.Н. Никольский. М.: Высшая школа, 1961г. 372с.

63. Архангельский Ю.С. Установки диэлектрического нагрева СВЧ установки: учебное пособие / Ю.С. Архангельский. Саратов: СГТУ, 2003. 344с.

64. Пюшнер Г. Нагрев энергией сверхвысоких частот / Г. Пюшнер. М.: Энергия, 1968. 31 1с.

65. Фельдштейн A.JI. Справочник по элементам волноводной техники / A.JI. Фельдштейн, JI.P. Явич, В.П. Смирнов. М.: Советское радио, 1967. 651с.

66. Коломейцев В.А. Микроволновые системы с равномерным объемным нагревом. 4.2 / В.А. Коломейцев, В.В. Комаров,

67. А.Р. Железняк. Саратов: Сарат. Гос. Техн. Ун-т, 2006. 232с.

68. Рогов И.А. Техника сверхвысокочастотного нагрева пищевых продуктов / И.А. Рогов, С.В. Некрутман, Г.В. Лысов. М.: Легкая и пищевая промышленность,1981. 351с

69. Bernhard J.Т. Dielectric slab-loaded resonant cavity for applications requiring enhanced field uniformity / J.T. Bernhard, W.T. Joines//IEEE Trans. Microwave Theory and Techniques. 1996. Vol. 44. N3.P.457-460.

70. Мухачев Г.А. Термодинамика и теплопередача / Г.А. Мухачев, В.К. Щукин. М.: Высш.шк., 1991. 480с.

71. Гинзбург А.С. Теплофизические характеристики пищевых продуктов: справочник / А.С. Гинзбург. М.: Агропром-издат, 1990. 286с.

72. Годовский Ю. К. Теплофизика полимеров / Ю.К. Годовс-кий. М.: Химия, 1982г. 234с.

73. Сожин Б.И. Электропроводность полимеров / Б.И. Сожин. М.: Химия, 1965. 322с.

74. Казарновский Д.М. Радиотехнические материалы/Д.М. Казарновский, С.А. Яманов. М.: Высшая школа, 1972. 230с.

75. Гинзбург А.С. Теплофизические характеристики картофеля, овощей и плодов / А.С. Гинзбург М.: Агропром-издат, 1987. 270с.

76. Шакин К.В. СВЧ устройства равномерного нагрева диэлектрических материалов на основе квазистационарных волноведущих структур: дисс. на соискание учёной степени к.т.н./ К.В. Шакин. Саратов, 2004. 231с.