автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.21, диссертация на тему:Взаимодействие электромагнитных волн с поглощающими средами и специальные СВЧ-системы равномерного нагрева



{

Саратовский государственный технический университет

. : '.......- .....а9 ЩИУ

на правах рукописи

и

КОЛОМЕЙЦЕВ Вячеслав Александрович

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН С ПОГЛОЩАЮЩИМИ СРЕДАМИ И СПЕЦИАЛЬНЫЕ СВЧ-СИСТЕМЫ РАВНОМЕРНОГО НАГРЕВА.

Специальность 05.12.21 - Радиотехнические системы специального назначения, включая технику СВЧ и технологию их производства.

Диссертация

на соискание ученой степени доктора технических наук

Саратов - 1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ........................................................... 6

ГЛАВА I. СОВМЕСТНАЯ ВНУТРЕННЯЯ КРАЕВАЯ ЗАДАЧА ЭЛЕКТРОДИНАМИКИ И ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ ДЛЯ ПРОИЗВОЛЬНЫХ волноводных СТРУКТУР, ЧАСТИЧНО ЗАПОЛНЕННЫХ ПОГЛОЩАЮЩИМ МАТЕРИАЛОМ.............................. 22

1Л Основные условия обеспечения однородной плотности, рассеиваемой в поглощающем материале ЭМГ мощности, в СВЧ системах с бегущей волной.......................................................................... 22

1.2 Классификация сред, используемых в технике и энергетике СВЧ....................................................... 39

1.3 Математическая модель процесса взаимодействия электромагнитных волн с поглощающими средами в произвольных, частично заполненных, волноводных структурах.............................................................. 49

1.4 Удельная плотность тепловых источников в термопараметрических поглощающих средах.................... 61

1.5 Математическая модель процесса нагрева поглощающих СВЧ мощность материалов в волноводных структурах произвольного поперечного сечения...... 70

ГЛАВА II. МЕТОДЫ РЕШЕНИЯ СОВМЕСТНОЙ ВНУТРЕННЕЙ КРАЕВОЙ ЗАДАЧИ ЭЛЕКТРОДИНАМИКИ И ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ ДЛЯ ПРОИЗВОЛЬНЫХ ВОЛНОВОДНЫХ СТРУКТУР, ЧАСТИЧНО ЗАПОЛНЕННЫХ ПОГЛОЩАЮЩИМ МАТЕРИАЛОМ................................................................. 79

2.1 Современные тенденции развития метода конечных элементов при решении внутренней краевой задачи электродинамики для произвольных волноводных структур, частично заполненных диэлектриком или поглощающим материалом....................................... 79

2.2 Конечно-элементный алгоритм совместной математической модели процесса взаимодействия электромагнитных волн с поглощающими средами и их нагрева в произвольных волноводных структурах.... 92

2.3 Ложные решения внутренней краевой задачи электродинамики для произвольных волноводных структур, частично заполненных диэлектрическим материалом, возникающие при использовании метода конечных элементов......................................... 103

2.4 Программная реализация модифицированного алгоритма численного решения совместной внутренней краевой задачи электродинамики и теплопроводности для произвольных волноводных структур, час-

тично заполненных поглощающим материалом........ 126

2.5 Тестирование конечно-элементного алгоритма

внутренней краевой задачи электродинамики........... 133

ГЛАВА III. ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И СТРУКТУРА ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ ВОЛНОВОДОВ СЛОЖНОГО ПОПЕРЕЧНОГО СЕЧЕНИЯ С ЧАСТИЧНЫМ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИМ

ИЛИ ПОГЛОЩАЮЩИМ ВКЛЮЧЕНИЕМ................ 149

3.1 Дисперсионные свойства собственных электродинамических параметров и структуры ЭМГ поля ВСС, полностью заполненных диэлектриком или

поглощающим материалом....................................... 149

3.2 Электродинамические характеристики и структура ЭМГ поля ВСС, частично заполненных диэлектриком или поглощающим материалом.......................... 186

3.3 Электродинамические свойства и структура ЭМГ поля волноводных структур, частично заполненных термопараметрическим материалом, электрофизические и тепловые свойства зависят от температуры

нагрева.................................................................... 226

ГЛАВА IV. ТЕПЛОВЫЕ СВОЙСТВА ВОЛНОВОДНЫХ СТРУКТУР СЛОЖНОГО ПОПЕРЕЧНОГО СЕЧЕНИЯ, ЧАСТИЧНО ЗАПОЛНЕННЫХ ПОГЛОЩАЮЩИМ СВЧ МОЩНОСТЬ МАТЕРИАЛОМ........ 247

4.1 Методы расчета структуры теплового поля в сложных электродинамических системах, частично заполненных поглощающим материалом..................... 249

4.2 Тепловые свойства волноводов сложных сечений с частичным поглощающим включением при естественном теплообмене с окружающей средой.............. 266

4.3 Обеспечение равномерного нагрева материалов в сложных электродинамических системах с бегущей волной при однородной удельной плотности тепловых источников....................................................... 300

ГЛАВА V. СОЗДАНИЕ СВЧ НАГРЕВАТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ С БЕГУЩЕЙ ВОЛНОЙ И РАВНОМЕРНЫМ НАГРЕВОМ НА ОСНОВЕ КВАЗИСТАЦИОНАРНЫХ ВОЛНОВОДОВ СЛОЖНЫХ ПОПЕРЕЧНЫХ СЕЧЕНИЙ......................................................................... 317

5.1 Плавные линейные согласующие переходы между

стандартными волноводами и волноводными структурами сложного поперечного сечения.................... 319

5.2 Плавные нелинейные согласующие переходы между стандартными волноводами и волноводами сложных поперечных сечений......................................... 337

5.3 Основные принципы создания СВЧ нагревательных систем с бегущей волной и равномерным нагревом диэлектрических материалов на основе нерегулярных квазистационарных волноводов сложного поперечного сечения................................................... 357

5.4 Конструкции рабочих камер СВЧ систем с бегущей волной и равномерным нагревом стационарного и конвейерного типов на основе нерегулярных волно-водных структур сложного поперечного сечения...... 383

ЗАКЛЮЧЕНИЕ. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ........ 399

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.......................................................... 412

Введение

Одной из актуальных проблем современной техники и энергетики СВЧ, связанной с созданием нового перспективного класса малогабаритных, широкополосных, высокоэффективных поглощающих систем, является обеспечение равномерного объемного нагрева. Устранение градиента температур и термоупругих напряжений в объеме поглощающего ЭМГ мощность материала позволяет резко интенсифицировать процесс термообработки, повысить качество готовой продукции и значительно расширить функциональные возможности и области применения СВЧ нагревательных систем [1-3], а также улучшить прочностные характеристики и повысить уровень рассеиваемой мощности в поглощающих элементах техники СВЧ (оконечные согласованные нагрузки, аттенюаторы и др.) [4].

Особую значимость задача обеспечения равномерного нагрева материалов представляет в наиболее распространенных в СВЧ энергетике системах с бегущей волной (СБВ). Создание однородной удельной плотности тепловых источников в объеме поглощающего материала (qv = const) и предотвращение теплоотдачи в окружающую среду являются основными требованиями к СВЧ нагревательным системам с равномерным нагревом. Обеспечение qv = const в СБВ представляет наиболее трудоемкую часть проблемы. Это связано со сложностью решения обратной внутренней краевой задачи электродинамики для произвольных волноводных структур, частично заполненных поглощающим материалом, на основе которого определяется оптимальная геометрия рабочей камеры СБВ.

Попытки решения данной задачи путем вариации продольного профиля рабочей камеры СБВ, выполненных на волноводах стандартных сечений (прямоугольный, цилиндрический, коаксиальный и др.), уже предпринимались ранее. Однако в данных СВЧ системах наблюдается определенная неравномерность нагрева материала, особенно в выходной области рабочей камеры, вызванная разрывом вектора напряженности электрического поля на границе раздела сред, а также тем, что продольный профиль поглощающей части системы недостаточно полно обеспечивает qv = const в направлении распространении волны.

В связи с этим возникла острая необходимость разработки единого эффективного метода расчета оптимальной геометрии рабочих камер СБВ, обеспечивающих qv = const во всем рабочем

диапазоне температур. В основу метода положена установленная закономерность продольного изменения коэффициента затухания основной (доминантной) волны нерегулярного волновода, частично заполненного поглощающим материалом, при котором обеспечивается qv = const [9]. При этом обрабатываемый

материал в поперечном сечении камеры должен располагаться в области однородного электрического поля таким образом, чтобы не возникали разрывы вектора напряженности электрического поля.

Практическая реализация проблемы создания СБВ с qv = const предъявляет определенные требования к волноводам,

как базовым элементам рабочих камер нагревательных систем. Во-первых, система должна обеспечивать высокую концентрацию и однородность электрического поля в поперечном сечении волновода в области расположения обрабатываемого материала

и, во-вторых, обладать достаточно высокой широкополосно-стью, поскольку термообработка осуществляется в одномодовом режиме [9].

Всем этим требованиям наиболее полно удовлетворяют волноводы сложных сечений (ВСС), так называемые квазистационарные волноводные структуры, имеющие четко выраженный емкостной зазор, электрическое поле в котором однородно во всем доминантном диапазоне длин волн. Более высокие значения относительной критической длины волны основного типа - 1с0!а (а - размер широкой стенки волновода), широкополосно-сти, удельной плотности тепловых источников в обрабатываемом материале при размещении его в области емкостного зазора и коэффициента заполнения [10] по сравнению со стандартными волноводами (прямоугольный, цилиндрический, коаксиальный) позволяют на основе ВСС создать новый перспективный класс малогабаритных, высокоэффективных и более универсальных нагревательных систем с бегущей волной и равномерным нагревом.

В технике и энергетике СВЧ диапазона электродинамические и тепловые свойства ВСС, частично заполненных поглощающим материалом, изучены не достаточно полно, что не позволяет эффективно использовать их для создания СБВ с равномерным нагревом. Это вызвано сложностью краевых условий совместной задачи электродинамики и теплопроводности для ВСС, особенно при заполнении их поглощающим материалом [11-12]. Данная задача усложняется если электрофизические тепловые параметры обрабатываемого материала зависят от температуры нагрева [13], поскольку в данном случае не удается

разделить решение задачи электродинамики и теплопроводности. Проблема решения указанной задачи является весьма актуальной, поскольку большинство процессов термообработки характеризуется резким изменением свойств материала в рабочем диапазоне температур [14] (спекание брикетированных порошкообразных материалов, полимеризация синтетических смол, сушка влажных материалов и др.).

В связи с этим актуальной проблемой, связанной с проектированием СВЧ систем с равномерным нагревом, является создание математической модели процесса взаимодействия электромагнитных волн с термопараметрическими средами в волно-водных структурах сложного поперечного сечения и разработка эффективного метода исследования электродинамических и тепловых свойств ВСС, частично заполненных поглощающим материалом, электрофизические и тепловые параметры которых являются функцией температуры, основанного на численном решении совместной внутренней краевой задачи электродинамики и теплопроводности методом конечных элементов (МКЭ).

Цель и задачи диссертационной работы. Целью диссертационной работы является создание математической модели процесса взаимодействия электромагнитных волн с термопараметрическими поглощающими средами, описывающей электродинамические и тепловые процессы в произвольных волноводных и резонаторных системах. Разработка основных принципов, критериев и методов, обеспечивающих достижение однородной удельной плотности СВЧ мощности, рассеиваемой в указанных структурах с термопараметрическим поглощающим включением. Создание СВЧ систем специального назначения с равно-

мерным нагревом на основе предложенной модели, методов, принципов и критериев.

Методы исследования. Для решения вышеприведенных задач были использованы: метод конечных элементов с применением принципа Галеркина и взвешенных невязок; метод Кат-хилла-Макки сведения разреженных матриц к ленточной форме; теория графов; объектно-ориентированные методы вычислений; линейная алгебра; методы математической физики; комбинированный численно-аналитический метод; метод разделения переменных; ортогональные методы; методы экспериментального исследования.

Научная новизна.

1. Впервые создана математическая модель процесса взаимодействия электромагнитных волн с термопараметрическими поглощающими средами, описывающая электромагнитные и тепловые процессы в произвольных волноводных и резонаторных структурах, частично заполненных поглощающим СВЧ мощность материалом с изменяющимися электрофизическими и тепловыми свойствами.

2. Впервые установлена закономерность изменения коэффициента затухания основной (доминантной) волны, при которой погонная плотность электромагнитной мощности, рассе-ваемая в заполняющем материале неизменна по длине рабочей камеры, являющаяся основным критерием синтеза СВЧ систем с равномерным нагревом.

3. Впервые разработан метод расчета оптимальной геометрии рабочих камер СВЧ систем специального назначения с равномерным нагревом, основанный на комплексном исследовании

электродинамических свойств и структуры электромагнитного поля произвольных волноводных структур с частичным поглощающим включением и установленной закономерности продольного изменения коэффициента затухания основной волны, при которой обеспечивается однородная плотность тепловых источников в объеме поглощающего материала.

4. Разработан эффективный алгоритм численного решения совместной внутренней краевой задачи электродинамики и теплопроводности для произвольных волноводных и резонаторных структур, частично заполненных поглощающим материалом с изменяющимися электрофизическими и тепловыми свойствами, на основе метода конечных элементов с применением принципа Галеркина и взвешенных невязок.

5. Установлены причины возникновения и определены пути устранения ложных решений внутренней краевой задачи электродинамики для произвольных волноводных структур с частичным диэлектрическим или поглощающим включением, возникающие при использовании численных методов исследования электродинамических свойств и структуры электромагнитного поля в указанных структурах и, в частности, при использовании метода конечных элементов.

6. Показано что при взаимодействии электромагнитных волн с термопараметрическими средами возникает некомпенсированный пространственный заряд, вызванный зависимостью электрофизических свойств среды от температуры, который исчезает при ортогональности векторов напряженности электрического поля и градиента температуры.

7. Предложен эффективный метод расчета плавных согла-

сующих переходов между волноводными структурами различных поперечных сечений, позволяющий решить задачу возбуждения рабочих камер СВЧ систем специального назначения с равномерным нагревом и линий передачи на основе волноводов сложных сечений, и установлены критерии оптимизации геометрии переходов.

Практическая значимость работы заключается в следующем:

- разработана и внедрена в практическое пользование библиотека универсальных программ, позволяющая исследовать электродинамические и тепловые процессы в произвольных волно-водных и резонаторных структурах, частично заполненных диэлектриком или поглощающим материалом, и проводить расчет оптимальной геометрии рабочих камер СВЧ систем специального назначения с равномерным нагревом, поглощающих элементов техники СВЧ диапазона;

- даны практические рекомендации по оптимизации метода расчета СВЧ систем с бегущей волной и равномерным нагревом, выполненных на основе волноводов сложных сечений, имеющих четко выраженный емкостной зазор, как базовых элементов СВЧ систем с равномерным нагревом материала;

- предложено использование волноводов сложных сечений, так называемых квазистационарных волноводов, для создания нового перспективного класса СВЧ систем специального назначения с равномерным нагревом, отличающихся меньшими габаритами, более высокой широкополосностью и темпом нагрева, нежели системы на основе стандартных волноводных структур (прямоугольный, цилиндрический, коаксиальный волноводы и др.).

- разработаны конструкции рабочих камер СВЧ систем для рав-

номерной термообработки тонкопленочных и листовых материалов, спекания брикетированных порошкообразных материалов и стерилизации жидкостей на основе прямоугольного волновода с Т-ребром (ПВТР), модифицированного ПВТР, П и Н волноводов и подковообразного волновода;

- даны практические рекомендации по оптимизации методики расчета плавных согласующих переходов между стандартными волноводами, на основе которых осуществляется вывод энергии большинства СВЧ генераторов, и ВСС, как базовых элементов рабочих камер, позволяющих решить проблему возбуждения и внедрения в практическое пользование СВЧ систем специального назначения с рав�