Введение к работе
Актуальность темы. Наряду с такими уже традиционными сферами применения энергии микроволнового излучения в научных целях, как физика плазмы, радиоспектроскопия и метрология, в настоящее время интенсивно развиваются новые наукоемкие направления: СВЧ-химия, СВЧ-биология, СВЧ-реология и т.д. В частности, СВЧ-излучение успешно применяется как катализатор химических реакций пробоподготовки, дегидрации, органического и неорганического синтеза, вулканизации и полимеризации различных веществ. В области медицины такими направлениями являются СВЧ-диагностика биологических тканей, изучение последствий воздействия электромагнитных (ЭМ) волн на лсивые организмы и создание, новых фармакологических препаратов. В материаловедении исследуются механизмы взаимодействия СВЧ-излучения с нанокомпозитными диэлектриками.
Выпускаемые отечественными (ГНГШ «Торий») и зарубежными (СЕМ, Milestone, Prolabo) производителями специализированные системы СВЧ-обработки диссипативных материалов и сред подразделяются па две основные группы: миогомодовые резонаторные СВЧ-печи и одномодовые волноводио-резонаторные камеры прямоугольной или цилиндрической конфигурации. Миогомодовые системы позволяют исследовать сразу несколько образцов, но для выравнивания ЭМ полей и компенсации отраженной мощности в них используются специальные элементы подстройки, что оказывает влияние на их массогабаритные показатели. Одномодовые устройства предназначены для облучения, как правило, одного образца, но и здесь возникают проблемы низкой энергетической эффективности системы и неравномерности тепловыделения в области взаимодействия.
Привлекательной альтернативой стандартным волноводам, на базе которых создаются одномодовые СВЧ-камеры, могли бы стать волноводы с емкостным зазором (ВЕЗ), внедрение которых в сфере промышленных СВЧ-технологий сдерживается тремя основными факторами: низкой пробивной мощностью, отсутствием аналитической теории их расчета, и, в ряде случаев, сложностью изготовления конструкций ВЕЗ, особенно нерегулярного типа. Однако в специализированных системах, предназначенных для научных исследований, где уровни рабочих мощностей обычно не превышают 300 Вт, применение данных волноводов представляется достаточно перспективным. Кроме того, обладая низким волновым сопротивлением, такие ВЕЗ, как: П-волиовод (ПВ), Н-волновод (НВ) и прямоугольный волновод с Т-ребром (ПВТР), хорошо согласуются с коаксиальными и микрополосковыми линиями передачи, что дает возможность создавать элементы возбуждения и применять полосковые ферритовые циркуляторы вместо волноводных СВЧ-узлов аналогичного назначения. В связи с этим, важное значение приобретает разработка теории волноводов сложных сечений, включая методы приближенного расче'га и оптимизации электродинамических характеристик, а также исследование ЭМ и тепловых полей для различных вариантов их заполнения.
Для описания динамики ЭМ и тепловых полей в области взаимодействия за последние два десятка лет было создано достаточно много математических моделей (ММ), главной из которых является самосогласованная краевая задача электродинамики и теплопроводности, ориентированная на решение одновременно электродинамических и тепловых дифференциальных уравнений в ситуации, когда комплексная диэлектрическая проницаемость (КДП) образца зависит от температуры. Однако, практически все формулировки данной задачи, которые можно встретить в литературе, ограничиваются рассмотрением неоднородного уравнения теплопроводности, в то время как для жидких сред необходимо решать взаимосвязанные уравнения энергии и Навье-Стокса. Обобщение ММ для жидких сред приводит к формулировке совместной краевой задачи электродинамики, теплопроводности и свободной конвекции.
Даже для упрощенного варианта такой модели: самосогласованной задачи электродинамики и теплопроводности получить аналитическое решение не представляется возможным. Поэтому для моделирования ЭМ и тепловых полей в нелинейном приближении применяются численные подходы: метод конечных элементов (МКЭ), метод конечных разностей во временной области (МКРВО), метод матриц линий передачи (ММЛП). Несмотря на быстрое развитие теории этих методов и средств компьютерной техники проблема снижения вычислительных затрат (особенно для МКЭ) и повышения надежности численного моделирования продолжает оставаться актуальной.
Эффективность численного алгоритма становится еще более значимой при решении задач оптимизации СВЧ-нагревательных систем, когда число обращений к ММ резко возрастает. При этом процедуры оптимизации устройств микроволновой энергетики применяются весьма широко, в том числе и с привлечением численных методов анализа. Одна из таких процедур связана с поиском оптимальных значений параметров матрицы рассеяния СВЧ-многополюсника и одновременным контролем распределений функции плотности тепловых источников в области взаимодействия. Другой подход базируется на многопараметрической оптимизации технико-экономических показателей устройств СВЧ-обработки.
Таким образом, проблема решения целого ряда взаимосвязанных задач по модернизации специализированных СВЧ-нагревательных устройств, созданию новых, более универсальных ММ, описывающих распространение ЭМ волн в диссипативных диэлектрических средах различного агрегатного состояния, повышению эффективности и надежности моделирования таких систем является актуальной.
Цель работы состоит в разработке теоретических основ моделирования и оптимизации малогабаритных специализированных СВЧ-камер нового типа, предназначенных для научных исследований процессов взаимодействия ЭМ волн с твердыми и жидкими диэлектрическими средами.
Реализация поставленной цели связана с решением следующих научных задач:
Систематизация данных о диэлектрических и теплофизических свойствах различных диэлектрических сред, подвергаемых СВЧ-обработке.
Изучение возможностей аналитического моделирования КДП
композиционных сред на СВЧ.
« Формулировка ММ процессов микроволновой обработки твердых и жидких диэлектрических сред с учетом конвективного теплообмена и параметров источника СВЧ-сигнала.
в Разработка алгоритмов численного анализа специализированных СВЧ-камер сложной конфигурации с объемно-неоднородным диссипативным заполнением.
Поиск путей снижения вычислительных затрат математического
моделирования данных систем.
» Экспериментальная проверка основных этапов численного моделирования
электродинамических систем с комплексным поглощающим заполнением.
в Разработка и оптимизация компьютерных моделей специализированных
СВЧ-камер, включая конструкции вспомогательных элементов (переходы,
тройники, нагрузки) этих камер.
» Исследование полей температур и скоростей потоков жидких сред в области
взаимодействия.
Методы исследования. В ходе выполнения диссертационной работы использовались следующие методы. Теоретические: МКРВО, МКЭ, метод наименьших квадратов (МНК), итерационный метод, метод сопряженных градиентов (МСГ), метод последовательных приближений, метод эквивалентных схем, математический аппарат теории вероятности и теории планарных линий передачи. Экспериментальные: метод открытого конца коаксиальной линии (МОКЛ), метод измерения тепловых полей с помощью оптических сенсоров, калориметрический и прямой методы измерения СВЧ" мощности, метод измерения S-параметров СВЧ-многополюсника с привлечением автоматического анализатора цепей.
Достоверность результатов диссертации подтверждается строгой формулировкой задач математической физики, корректностью принятых допущений и приближений, применением новых подходов к опенке точности математических моделей, базирующихся на одновременном использовании двух разных численных методов расчета одного объекта, тщательным тестированием алгоритмов и программ, сравнительной проверкой теоретических и экспериментальных данных, полученных в ходе выполнения работы.
Личный вклад соискателя. Основные результаты работы, включая формулировку совместной краевой задачи электродинамики, теплопроводности и свободной конвекции, алгоритмы комбинированного численно-аналитического моделирования и оптимизации анализируемых в работе устройств, оригинальные конструкции специализированных СВЧ-камер, получены автором самостоятельно. В работах, выполненных с соавторами, соискатель принимал активное участие в постановке задач и интерпретации полученных результатов.
На защиту выносятся:
Математическая модель процесса СВЧ-обработки дассипативных материалов и сред, базирующаяся на дифференциальных уравнениях Гельмгольца, сплошности, движения и энергии, позволяющая повысить точность расчета тепловых полей в области взаимодействия с учетом конвекционных потоков жидких сред.
Численно-аналитический метод расчета погрешности линеаризации решения совместной краевой задачи электродинамики и теплопроводности, с использованием критериев девиации комплексной диэлектрической проницаемости термопараметрических сред, дающий возможность снизить вычислительные затраты решения данной задачи.
Результаты теоретических и экспериментальных исследований процессов иммерсионной СВЧ-термообработки пищевых изделий в двухрупорной камере DH0915 и процессов СВЧ-нагрева прозрачных жидких полимеров в многомодовой резонаторной камере.
Результаты оптимизации S-параметров волноводно-резонаторных элементов сложной конфигурации с объемно-неоднородным поглощающим заполнением, проводимой с целью повышения энергетической эффективности диссипативных СВЧ-устройств.
Конструкции и компьютерные модели специализированных СВЧ-камер для нагрева различных материалов и сред, реализующие заданные режимы термообработки на частотах 915 МГц и 2.45 ГГц.
Научная новизна
Впервые сформулирована трехмерная ММ процессов СВЧ-нагрева жидких диэлектрических сред, включающая дифференциальные уравнения Гельмгольца, Навье-Стокса и энергии с соответствующими краевыми условиями для произвольной конфигурации образца, волноводно-резонаторной ячейки и элемента возбуждения. Формулировка данной модели ориентирована на решение уравнений математической физики методом конечных и трансконечных элементов различных порядков, что позволяет проводить моделирование СВЧ-нагревательных систем с учетом параметров СВЧ-источника.
Предложена новая схема классификации волноводов сложных сечений (ВСС), позволяющая выявить аналогию в поведении ЭМ поля основной моды волноводов с емкостным зазором, имеющих одинаковое число металлических ребер и степеней свободы.
Впервые экспериментально .измерена комплексная диэлектрическая проницаемость водопроводной воды установленного химического состава на частоте 915 МГц в диапазоне температур 40 < ТС < 120.
Впервые установлено, что для приближенного аналитического расчета диэлектрической проницаемости мягких сортов древесины с влагосодержанием W < 20% на частотах 0.915; 2.45 и 9.21 ГГц независимо от ориентации волокон древесины относительно вектора электрического поля и при температурах
Впервые методом численного моделирования обнаружен гиперболический характер двумерной функции распределения ЭМ поля доминантной волны волноводов с емкостным зазором и поперечно-неоднородным поглощающим включением. Примером такого включения может служить диэлектрическая трубка прямоугольной или цилиндрической формы, заполненная диссипативной средой и расположенная в центре емкостного зазора.
Впервые показано, что реализация сразу трех принципов математического моделирования: декомпозиционного, верификационного и иерархического дает возможность ускорить вычислительный процесс при одновременной минимизации погрешности моделирования процессов распространения и поглощения ЭМ волн в диссипативных СВЧ-элементах.
Установлено, что для жидких диэлектрических сред с динамической вязкостью /л, < 0.05 Пах, нагреваемых СВЧ-излучением в замкнутом малом объеме, реализуются такие термодинамические и гидродинамические режимы, при которых происходит быстрое выравнивание температуры по всему объему даже при неоднородной функции плотности тепловых источников qj^r ,т).
Впервые проведены экспериментальные исследования отражательных характеристик двухрупорной резонаторной камеры для иммерсионной СВЧ-стерилизации пищевых изделий и тепловых полей в образцах на частоте 915 МГц. Созданы ММ данной установки, продемонстрировавшие хорошее совпадение с экспериментальными данными.
Впервые для экспериментальных исследований тепловых полей в жидких диэлектриках (полимерах) предложено использовать новый измерительный инструмент: термочувствительную фольгу с жидкокристаллическим покрытием.
Практическая ценность
Составлена база данных по диэлектрическим и/или теплофизическим свойствам 119 различных материалов, подвергаемых СВЧ-обработке, и указаны эффективные способы построения аналитических функциональных зависимостей: е'(Т), е"(Т), ЦТ), Ct(T), pt(T), \it(T).
Для двумерного приближенного расчета интефальных электродинамических параметров однородных и неоднородных волноводов с емкостным зазором предложено использовать теорию экранированных микрополосковых и щелевых линий СВЧ-диапазона (модели Олинера, Уилера, Грина). На базе этой теории, а также с помощью методов эквивалентных схем и наименьших квадратов получены простые и удобные аналитические соотношения для вычислений критической длины волны,,волнового сопротивления, постоянной распространения и пробивной мощности таких волноводов.
Разработаны оптимизированные модели конструкций малогабаритных специализированных СВЧ-камер нового типа и вспомогательных элементов этих камер (коаксиально-волноводные переходы (КВП), согласованные нафузки) на волноводах с емкостным зазором. Впервые рассмотрена
компьютерная модель КВП уголкового типа для возбуждения основной волны в прямоугольном волноводе с Т-ребром, демонстрирующая КСВН < 1.2 на частоте 2.45 ГГц.
4. Внедрена в практическое применение программа Delta, базирующаяся на трехмерном МКЭ, и проведены экспертная оценка и тестирование пакетов прикладных программ QuickWaveSD > и FEMLAB ). что позволило определить пути их наиболее эффективного использования в ходе моделирования СВЧ-устройств сложной конфигурации.
Реализация результатов работы
Реализация основных результатов теоретических и экспериментальных исследований диссертации проводилась в рамках госбюджетных НИР: № 112-17-90 «Система-2» (ИРЭ РАН); № 25784 «Контакт-1» и № 25785 «Контакт-2» (НЛП «Союзтехника»); №112-07-92 «Компас-1» и №112-07/2-92 «Компас-2» (ИРЭ РАН); № 01990003218 (СГТУ).
Некоторые результаты диссертации были получены в ходе выполнения НИР по программе № РНП 2.1.1.8014 «Развитие научного потенциала высшей школы» Министерства образования и науки РФ; по совместной программе «Михаил Ломоносов» Германской службы академических обменов (DAAD) и Министерства образования и науки РФ; а также по грантам Швейцарской академии технических наук (SATW) и Шведского института (SI).
Алгоритмы и методики численного моделирования, разработанные в диссертации, нашли применение в НИОКР по созданию конструкций действующих специализированных СВЧ-камер, в том числе: двухрупорной резонаторной камеры DH0915, предназначенной для изучения процессов иммерсионной СВЧ-термообработки пищевых изделий; цилиндрической камеры для экспериментальных исследований последствий СВЧ-облучения биологических объектов; камеры проточного типа на ПВТР для стерилизации жидких физиологических растворов.
Материалы диссертационной работы были использованы в курсовом и дипломном проектировании, а также при чтении лекций на кафедре радиотехники СГТУ.
Апробация работы
Материалы диссертации докладывались на различных конференциях, симпозиумах и семинарах, в том числе на VI Всесоюзной научно-практической конференции «Применение СВЧ-энергии в технологических процессах и научных исследованиях» (Саратов, 1991), научно-техническом семинаре «Распространение и дифракция электромагнитных волн в неоднородных средах» (Смоленск, 1992), Международной научно-технической конференции «Современные проблемы применения СВЧ-энергии» (Саратов, 1993), Международных научно-технических конференциях: «Актуальные проблемы электронного приборостроения» (Саратов, 1994-2002), 10' Conference of me Computation of Electromagnetic Fields (Berlin, Germany, 1995), 31s1 Microwave Power Symposium (Boston, USA, 1996), III Международной научно-технической
конференции «Аитенно-фидерные устройства системы и средства радиосвязи», (Воронеж, 1997), 32nd Microwave Power Symposium (Ottawa, Canada, 1997), II, III, V рабочих семинарах «Машинное проектирование в прикладной электродинамике и электронике» (Саратов, 1998,1999,2001), Международной научно-технической конференции «Проблемы управления и связи» (Саратов, 2000), Зб"1 Microwave Power Symposium (San-Francisko, USA, 2001), 8* International Conference on Microwave and High Frequency Heating (Bayreuth, Germany, 2001), 3rd World Congress on Microwave and Radio Frequency Applications (Sydney, Australia, 2002),10th International Conference on Microwave and High Frequency Heating (Modena, Italy, 2005), 40lh Microwave Power Symposium (Boston, USA, 2006), Международных научно-технических конференциях «Радиотехника и связь» (Саратов, СГТУ, 2004-2006).
Публикации. По теме диссертации опубликовано более 70 печатных работ, включая 2 монографии, 1 учебное пособие, 1 патент на изобретение. Список работ, в которых отражены основные результаты работы, представлен в конце автореферата.
Структура и объем' диссертяции. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы из 298 наименований и пяти приложений. Объем работы составляет 369 страниц, включая 149 рисунков и 18 таблиц.
