Содержание к диссертации
Введение
1. Внутренняя краевая задача электродинамики и теплопроводности для СВЧ электротехнологических установок рав номерного нагрева термопараметрических, материалов и методы ее решения 14-80
1.1 Математическая модель процесса взаимодействия ЭМГ волн в электротехнологических СВЧ установках равномерного нагрева с произвольными диэлектрическими материалами на основе ВСС 14
1.2 Методы решения внутренней краевой задачи электродинамики и теплопроводности для сложных волноводных структур с частичным поглощающим заполнением 22
1.3 Алгоритм и программа численного решения ВКЗЭиТ для квазистационарных ВСС, частично заполненных поглощающим СВЧ мощность материалом, на основе МКЭ 40
1.4 Тестирование и модернизация алгоритма и программы численного решения ВКЗЭиТ для СВЧ-устройств равномерного нагрева произвольных диэлектрических материалов на основе ВСС 63
2. Электродинамические свойства квазистационарных ВСС с частичным диэлектрическим заполнением и их применение в электротехнологических процессах СВЧ термообработки 81-147
2.1 Исследование электродинамических свойств и структуры электромагнитного поля полых квазистационарных одно и многогребневых волноводных структур 81
2.2 Расчет и проектирование плавных согласующих переходов между прямоугольным волноводом и многогребневыми волноводными структурами с П-выступом и квазистационарными ВСС 108
2.3 Структура ЭМГ поля в квазистационарных ВСС и МГВ с частичным диэлектрическим заполнением 130
3. Электротехнологический процесс нагрева термопара метрических материалов в конвейерных СВЧ нагре вательных установках на основе квазистационарных ВСС 148-220
3.1 Моделирование СВЧ установок равномерного нагрева листовых термопараметрических материалов поперечного типа на основе ВСС 148
3.2 Оптимизация конструкции СВЧ установок равномерного нагрева произвольных поглощающих ЭМГ мощность диэлектрических термопараметрических материалов 168
3.3 Структура теплового поля в термопараметрическом материале при конвейерной СВЧ термообработке в установке поперечного типа на основе квазистационарных ВСС 191
3.4 Управление электротехнологическим процессом нагрева термопараметрических материалов в конвейерных СВЧ установках поперечного типа на основе ВСС 209
Заключение 221
Литература 225
- Методы решения внутренней краевой задачи электродинамики и теплопроводности для сложных волноводных структур с частичным поглощающим заполнением
- Тестирование и модернизация алгоритма и программы численного решения ВКЗЭиТ для СВЧ-устройств равномерного нагрева произвольных диэлектрических материалов на основе ВСС
- Расчет и проектирование плавных согласующих переходов между прямоугольным волноводом и многогребневыми волноводными структурами с П-выступом и квазистационарными ВСС
- Оптимизация конструкции СВЧ установок равномерного нагрева произвольных поглощающих ЭМГ мощность диэлектрических термопараметрических материалов
Введение к работе
Актуальность темы диссертации.
Одним из широко распространенных электротехнологических процессов термообработки является нагрев диэлектрических материалов посредством энергии СВЧ поля. Добиться увеличения скорости термообработки диэлектрических материалов, повысить интенсивность нагрева в установках СВЧ нагрева можно обеспечив однородную плотность тепловых источников в объеме обрабатываемого материала. Задача обеспечения равномерного нагрева распадается на две части: обеспечение однородной плотности тепловых источников в объеме обрабатываемого материала (qv= const) и теплоизоляция нагреваемого материала. Наиболее трудоемкую часть представляет задача обеспечения qv= const, которая состоит из двух частей - qs= const
и qL= const. Первая часть обеспечивается выбором соответствующей волноводной системы, а вторая путем продольного изменения геометрии камеры в соответствии с требуемым законом изменения затухания по длине нагревательной системы.
Одним из перспективных классов волноводов сложного поперечного сечения являются многогребневые волноводы (МГВ), которые выделяются среди ВСС большим количеством степеней свободы, что позволяет наиболее эффективно управлять структурой ЭМГ поля в поперечном сечении РК. В связи с этим исследование электродинамических и тепловых свойств МГВ и квазистационарных ВСС с частичным диэлектрическим включением представляет существенный практический интерес. Однако, в силу сложности граничных условий, невозможно применение аналитических методов для анализа электродинамических и тепловых свойств квазистационарных ВСС и МГВ с частичным поглощающим СВЧ мощность заполнением и особенно при частичном термопараметрическом заполнении, а методы
5 экспериментального исследования достаточно дороги, то представляется актуальным разработка и проведение численных расчетов электродинамических и тепловых процессов в квазистационарных ВСС и многогребневых волноведущих структурах и создание на их основе нового класса СВЧ установок равномерного нагрева произвольных диэлектрических материалов.
Цель работы: Проведение комплексных исследований электродинамических свойств и структуры ЭМГ поля квазистационарных ВСС и многогребневых волноводов и создание на их основе нового перспективного класса электротехнологических СВЧ установок поперечного типа с равномерным нагревом произвольных тонкопленочных и листовых диэлектрических материалов. Исследование процесса нагрева термопараметрических материалов, электрофизические и тепловые свойства которых изменяются в процессе нагрева в СВЧ установках на основе квазистационарных ВСС. Оптимизация конструкции рабочей камеры данных установок, направленная на минимизацию отражения СВЧ мощности от входа РК и достижения наиболее высокого темпа нагрева обрабатываемого материала. Автоматизация процесса численного расчета и построение согласующих переходов между стандартными волноводами и квазистационарными ВСС или МГВ, позволяющие осуществить неотражающую передачу СВЧ мощности от генератора в РК СВЧ установки, выполненной на основе ВСС или МГВ. Научная новизна:
- разработаны оптимизированный алгоритм и программа численного решения совместной внутренней краевой задачи электродинамики и теплопроводности для квазистационарных ВСС или МГВ, частично заполненных термопараметрическим, поглощающим СВЧ мощность, диэлектрическим материалом, позво-
ляющие провести комплексное исследование электродинамических и тепловых свойств данных волноводных структур с учетом характера изменения электрофизических и тепловых параметров материала в рабочем диапазоне температур; -- проведены комплексные исследования диапазонных свойств собственных электродинамических параметров и структуры электромагнитного поля МГВ с частичным диэлектрическим включением, позволяющие оценить возможность использования многогребневых волноводов как базовых элементов рабочих камер СВЧ установок равномерного нагрева произвольных диэлектрических материалов и различных устройств СВЧ (аттенюаторы, фазовращатели, оконечные согласованные нагрузки и
т.д.);
установлено, что изменением геометрии П - выступов и их взаимного расположения в МГВ можно достичь увеличения коэффициента заполнения волновода - rj, то есть области существования однородного электрического поля в поперечном сечении МГВ по сравнению с квазистационарными ВСС (прямоугольный волновод с Т-ребром, якорный и секторный волноводы и др.), что позволяет использовать данные волноводы для создания СВЧ установок равномерного нагрева более габаритных диэлектрических материалов, особенно на частотах 433 и 915 МГц
проведены комплексные исследования, процесса нагрева конкретных термопараметрических материалов в конвейерных электротехнологических СВЧ установках поперечного типа на основе прямоугольного волновода с Т-ребром и установлено, что изменение температуры нагрева материала происходит только в направлении его перемещения и по нелинейному зако-
7 ну, при этом характер изменения температуры однозначно определяется зависимостями электрофизических и тепловых параметров обрабатываемого материала в рабочем диапазоне температур;
предложена методика прямого автоматизированного численного расчета продольной геометрии плавных согласующих переходов между стандартными волноводами (СВ-прямоугольный, цилиндрический волноводы и др.) и ВСС или МГВ, позволяющие осуществить неотражающую передачу СВЧ мощности от генератора, выход которого, как правило, выполнен на основе СВ в рабочую камеру СВЧ нагревательной установки, выполненной на отрезке нерегулярного ВСС или МГВ;
установлено, что неотражающая передача СВЧ мощности в РК СВЧ нагревательной установки на основе ВСС или МГВ во всем доминантном диапазоне длин волн СВ может быть осуществлена только посредством СП с нелинейным изменением геометрии перехода в направлении распространения ЭМГ волны, при этом превалирующее влияние на диапазонные свойства СП оказывает изменение/ внутренней геометрии перехода (например П-выступа в МГВ);
предложена методика расчета продольного изменения волнового сопротивления рабочих камер СВЧ установок равномерного нагрева произвольных диэлектрических материалов на основе квазистационарных ВСС и МГВ, базирующаяся на методе эквивалентных схем и позволяющая оценить уровень согласования РК с генератором при изменении продольного профиля камеры, при котором достигается однородная плотность тепловых источников в объеме обрабатываемого материала;
- установлено, что наиболее плавное монотонное изменение вол
нового сопротивления в рабочих камерах СВЧ установок рав
номерного нагрева термопараметрических материалов на осно
ве квазистационарных нерегулярных ВСС в направлении рас
пространения основной волны волновода наблюдается при од
новременном нелинейном изменении как внешней, так и внут
ренней геометрии рабочей камеры, что позволяет минимизиро
вать отражение СВЧ мощности по длине РК.
Практическая значимость:
даны практические рекомендации по построению оптимальных конструкций СВЧ установок равномерного нагрева произвольных диэлектрических материалов применительно к заданному технологическому процессу термообработки;
даны практические рекомендации по построению согласующих переходов со стандартных волноводов на МГВ или ВСС, что позволяет решить задачу неотражающей передачи СВЧ мощности в РК электротехнологической СВЧ установки на основе МГВ или ВСС;
предложены конкретные СВЧ установки равномерного нагрева термопараметрических материалов (белок и желток куриного яйца, говядина) на основе ПВТР и МГВ, в которых обеспечивается наиболее плавное изменение волнового сопротивления по длине рабочей камеры;
даны практические рекомендации по нагреву термопараметрических материалов (пищевые продукты, полимерные материалы) в СВЧ нагревательных установках конвейерного типа на основе ПВТР;
даны практические рекомендации по использованию многогребневых волноводов в качестве базовых элементов рабочих камер электротехнологических СВЧ нагревательных
9 камер электротехнологических СВЧ нагревательных установок с равномерным нагревом материалов, электрофизические и тепловые свойства которых изменяются в процессе нагрева;
- результаты исследований внедрены в учебном процессе и НИР,
проводимых кафедрой «Радиотехника» СГТУ, а также могут
быть использованы на предприятиях радиоэлектронной про
мышленности: ГНПП «Алмаз - Фазотрон», СЭПО, НПП «Кон
такт» и дрі
Апробация работы: Работа выполнена на кафедре «Радиотехника» Саратовского государственного технического университета в период с 1999 - 2004гг. Результаты диссертационной работы были доложены и обсуждены на:
- международной научно-технической конференции «Проблемы
управления и связи», СГТУ, Саратов, 2000;
научно-технической конференции «Электротехнология на рубеже веков» (Саратов 2001г.);
международной научно-технической конференции «Перспективные направления развития электронного приборостроения», ФГУП НПП «Контакт», Саратов, 2003;
международной научно-технической конференции «Радиотехника и связь», СГТУ, Саратов, 2004.
Публикации: По результатам исследований, проведенных в рамках данной диссертации, опубликовано 10 печатных работ. Структура и объем диссертационной работы: Диссертационная работа содержит 235 с, состоит из введения, трех глав, заключения, а также включает 82 рисунка и список литературы из 95 наименований.
10 Краткое содержание работы. Во введении отражена актуальность темы диссертации, сформулированы цель и основные задачи исследования, показана практическая значимость работы, представлены сведения об апробации работы, оцисана структура и объем работы, кратко раскрыто содержание разделов диссертации.
$ В первой главе сформулирована совместная внутренняя краевая
задача электродинамики и теплопроводности для рабочих камер
электротехнологических СВЧ установок равномерного нагрева тер-
** мопараметрических материалов на основе квазистационарных ВСС
или МГВ, базирующаяся на системе волновых уравнений Гельмголь-ца и уравнении теплопроводности и совокупности граничных и начальных условий применительно к конкретному электротехнологическому процессу термообработки заданного диэлектрического материала. Разработаны оптимизированный алгоритм и программа численного решения ВКЗЭиТ на основе метода конечных элементов с применением принципа Галеркина и взвешенных невязок. Предложен алгоритм автоматического выбора степени дискретизации, позволяющий оптимизировать процесс расчета РК путем выбора оптимального сеточного разбиения и на его основе модернизирован пре-процессор программы WGA. Показано, что основной частью программы выбора степени дискретизации является алгоритм пересчета
fit на регулярную сетку, результатом работы которого является воз-
можность нормировки полученных результатов расчета ЭМГ поля и сравнения их между собой. Также приведены результаты тестирования программы численного решения ВКЗЭиТ на примере квазистационарных ВСС прямоугольного поперечного сечения, лежащих в
основе рабочих камер электротехнологических СВЧ - нагревательных установок.
Во второй главе проведены комплексные исследования диапазонных свойств собственных электродинамических параметров и структуры ЭМГ поля квазистационарных ВСС и многогребневых волноводных структур, сравнительный анализ которых показал, что МГВ (двугребневый, четырехгребневый, шестигребневый, восьми-гребневый и десятигребневый волноводы) обладают меньшими значениями критических длин волн основного и первого высшего типов, что позволяет на их основе создать РК электротехнологических установок для равномерного нагрева более габаритных диэлектрических материалов, нежели в установках на основе ВСС.
Предложена методика формирования заданной структуры ЭМГ поля в поперечном сечении МГВ посредством изменения геометрии каждого из гребней и их взаимного расположения относительно друг друга. Показано, что применение МГВ, за счет наличия большего количества степеней свободы позволяет увеличить область однородного электрического поля в поперечном сечении волновода, что приводит к повышению коэффициента заполнения данных структур т}. Данное положение принципиально важно при построении РК электротехнологических СВЧ установок равномерного нагрева крупногабаритных диэлектрических материалов.
Предложена и апробирована методика автоматизированного расчета согласующих переходов (СП) между стандартными волноводами (прямоугольный, цилиндрический, коаксиальный и др.), на основе которых выполнены большинство выводов энергии генераторов СВЧ с квазистационарными ВСС и МГВ. Предложены наиболее оптимальные конструкции согласующих переходов СВ-ВСС или СВ-МГВ.
12 В третьей главе разработана математическая модель процесса равномерного нагрева термопараметрических материалов в СВЧ установках поперечного типа на основе ВСС с прямоугольным емкостным зазором. Введены эквивалентные электрофизические параметры (є'зкві tgS^),
позволяющие наиболее просто определить электрофизические и тепловые свойства ВСС с частичным термопараметрическим заполнением, как базовых элементов РК СВЧ установок равномерного нагрева материалов с s'(t) tgS{t) поперечного типа по методике исследования электродинамических свойств ВСС с частичным однородным диэлектрическим включением. Проведено исследование процесса нагрева конкретных термопараметрических материалов в СВЧ установках равномерного нагрева поперечного типа. Показано, что. в данных установках изменение температуры нагрева происходит в направлении его перемещения, при этом характер нарастания температуры нагрева происходит по нелинейному закону и однозначно определяется зависимостями электрофизических и тепловых параметров обрабатываемого материала в рабочем диапазоне температур. Предложена методика расчета и проведено исследование изменения волнового сопротивления рабочих камер СВЧ установок равномерного нагрева поперечного типа на основе квазистационарных волноводов сложного поперечного сечения и МГВ по длине РК с учетом продольного изменения профиля камеры, при котором обеспечивается однородная удельная плотность тепловых источников в объеме обрабатываемого материала. Данное положение является определяющим при оптимизации РК применительно к конкретному технологическому процессу термообработки. Показано, что наиболее оптимальными конструкциями РК поперечного типа, в которых осуществляется равномерный нагрев термопараметрических материалов с
13 точки зрения наиболее плавного изменения волнового сопротивления в направлении распространения волны являются камеры, в которых продольная геометрия изменяется по нелинейному закону. Приведены продольные профили РК, обеспечивающие максимально плавное изменение волнового сопротивления в направлении распространения волны, а также реализовать заданный электротехнологический процесс равномерного нагрева конкретных термопараметрических материалов, электрофизические и тепловые свойства которых изменяются в процессе термообработки.
В заключении приведены основные результаты и выводы по диссертационной работе.
Методы решения внутренней краевой задачи электродинамики и теплопроводности для сложных волноводных структур с частичным поглощающим заполнением
В настоящее время существует множество методов решения ВКЗЭиТ вся совокупность которых подразделяется на аналитические, численные и комбинированные методы. Наиболее простым инженерным методом решения задач электродинамики является метод эквивалентных схем (МЭС). Существу 23 ет три подхода на основе МЭС. Первый из них - метод поперечного резонанса, заключается в представлении поперечного сечения ВСС в виде эквивалентной линии передачи. Приравнивая к нулю суммы импендансов или проводимостей в произвольном сечении такой линии, соответствующих двум противоположным направлениям наблюдения вдоль линии (условие резонанса), можно найти постоянные распространения и другие собственные параметры ВСС. Примеры расчета методом поперечного резонанса полых волноводов с емкостным зазором приведены в работах: [17, 18].
Еще один подход на-базе МЭС представлен в [19]. Здесь посредством замены двумерной электродинамической задачи дискретной математической моделью, которую можно интерпретировать в виде системы связанных электрической связью контуров, получается приближенное решение исходной задачи. Анализируя поведение токов в дискретной модели электротехники, можно определить критические частоты и распределение поля ВСС, частично заполненных диэлектриком.
Третий, наиболее информативно емкий квазистационарный подход основан на замене ВЕЗ эквивалентной схемой резонансного контура из сосредоточенных емкости и индуктивности [20]. Его основное преимущество по сравнению с двумя другими подходами на базе МЭС заключается в том, что он практически не требует затрат компьютерной памяти и позволяет получать достаточно простые приближенные соотношения для критической длины волны основной моды ВЕЗ. До сих пор данный метод использовался для исследования полых или частично заполненных ВЕЗ [21 —23]. При этом под частичным заполнением волновода понималось полное заполнение его емкостного зазора. Однако, в ряде практических случаев требуется определить собственные электродинамические характеристики ВЕЗ для случая, когда емкостной зазор заполнен не стики ВЕЗ для случая, когда емкостной зазор заполнен не полностью или заполнен слоистым диэлектриком, что является более трудоемкой и затратной в вычислительном плане задачей. Для решения таких задач лучше подходят численные методы, к которым относят метод конечных разностей (МКР) и метод конечных элементов (МКЭ). МКР и МКЭ позволяют избежать значительной аналитической работы, которая требуется при применении МЧО и МЭС.
Расширенной модификацией метода частичных областей (МЧО) при решении ВКЗЭ для ВСС является альтернирующий метод Шварца, при помощи которого по известным решениям задачи для узкого класса частичных областей, путем комбинации этих областей, можно получать решения для достаточно сложных областей. Однако, хотя этот метод и обеспечивает более высокую точность расчета собственных электродинамических параметров и структуры электромагнитного поля по сравнению с другими методами, при этом требуются и более сложные математические преобразования при решении каждой конкретной задачи. К тому же на практике не всегда можно разбить сложную область, на простые пересекающиеся области.
Одним из широко распространенных численных методов решения ВКЗЭ является метод конечных разностей [24-26]. Его отличает сравнительная простота постановки задачи, например отсутствие матрицы В в задаче на собственные значения (Ах=Л.Вх) и необходимости в процедуре интегрирования как в МКЭ. Однако при кажущейся на первый взгляд простоте, в МКР наблюдается снижение точности вычислений при уплотнении сетки, как следствие — невозможность сгустить сетку, а также сложность выполнения условий на границе раздела сред.
Тестирование и модернизация алгоритма и программы численного решения ВКЗЭиТ для СВЧ-устройств равномерного нагрева произвольных диэлектрических материалов на основе ВСС
Критическим моментом решения ВКЗЭиТ методом конечных элементов является время решения задачи на ЭВМ (время счета) и объем требуемой оперативной памяти ЭВМ. Чем более точный результат необходимо получить [53], тем больший порядок глобальных матриц А и В (1.79) получается при дискретизации области, в которой определяется решение в виде (1.68). С другой стороны, возрастание порядка матриц в (1.79) приводит к увеличению погрешности, связанной с ростом ошибок округления. В работе [42] показано, что с возрастанием порядка глобальной матрицы время счета увеличивается экспоненциально (рис.10) В связи с этим возникает необходимость в более гибком подходе к процессу дискретизации. В данной работе предложен алгоритм автоматического подбора степени дискретизации и на основе данного алгоритма модифицирован препроцессор программы WGA[42].
В связи с тем, что при расчете ВС с частичным диэлектрическим или поглощающим заполнением, значительно возрастает время, затрачиваемое на численное решение ВКЗЭиТ для квазистационарных ВСС, что обусловлено порядком глобальной матрицы в матричном уравнении (1.79), а порядок глобальной матрицы в свою очередь пропорционален числу узлов конечно-элементной сетки, возникает необходимость в наиболее рациональном выборе сеточного разбиения таким образом, чтобы уменьшить число узлов разбиения с одной стороны и сохранить точность решения с другой.
Зависимости числа арифметических операций от порядка матричных уравнений . для пустых ВСС, т.к. это позволит снизить вычислительные затраты, и только потом переходить к расчету частично заполненных ВСС с потерями.
Результаты расчетов ЭМГ полей при различных дискретизациях представлены на рис.12 . Блок-схема программы автоматического выбора степени дискретизации представлена на рис.13, рассмотрим ее более подробно: 1. Выбирается объект исследования (ВСС); задаются его геометрические и электродинамические параметры вводятся величины заданной точности п% и шага регулярной сетки d. Шаг регулярной сетки d выбирается как величина в 5 раз меньшая, чем расстояние между вершинами наименьшей стороны наименьшего треугольника нерегулярной сетки. 2. Выбирается максимальная степень дискретизации нерегулярной сетки. 3. Рассчитываются значения ЭМГ поля в узлах нерегулярной сетки. Примеры таких сеток приведены на рис.11. 4. Выбранное за истинное значение ЭМГ поля пересчитывается на регулярную сетку и сохраняется в виде массива эталонных значений Аэ. 5. Выбирается минимальная степень дискретизации. 6. Производится расчет текущего значения ЭМГ поля на нерегулярной сетке с текущей степенью дискретизации.
Ввод исходных данных: геометрически параметры ВСС, требуемая точность п%, шаг регулярной сетки гш. Выбор максимальной степени дискретизации нерегулярной сетки F=N Триангуляция, расчет значений ЭМГ поля в узлах нерегулярной сетки, Пересчет на регулярную сетку и сохранение эталонного значения ЭМГ поля Аэ Выбор минимального значения степени дискретизации F Расчет текущих значений ЭМГ поля At на нерегулярной сетке. Пересчет текущих значений на регулярную сетку (определение массива текущих значений АІ) Вычисление погрешностей дискретизации R г и сохренение номеров зон с максимальной погрешностью в переменную S Конец Увеличение степени дискретизации нерегулярной сетки в зонах с номерами S путем увеличения чисел разбиения зон тип амплитудные значения в одинаковых точках регулярной сетки, поэтому для правомерного сравнения их необходимо нормировать следующим образом: ЭМГ поля необходимо привести к единой конфигурации (для каждого значения регулярной сетки это осуществля ется путем вычитания минимального значения из Hz и ум ножением на (-1) при необходимости). В массиве Hz определяется максимальное значение Hzmax . Все элементы массива Hz делятся на максимальное значение Hzmax.. 9. Приведенные к единой конфигурации и нормированные значе ния Ai и Аэ (рис. 14) сравниваются между собой и, если хоть одно значение массива текущих значений Аі не удовлетворяет заданной точности п%, то производится увеличение степени дискретизации, и последовательность действий, начиная с пункта 6, повторяется до достижения заданной точности п%. 10. Задавая таким образом п%, можно определить нужную степень дискретизации для каждой зоны. 11. Программа позволяет выбрать нужную степень дискретизации для каждой зоны отдельно, проводя при этом автоматический выбор чисел разбиения зоны на строки и столбцы на основании анализа погрешности дискретизации, рассчитанной для каждой зоны.
Расчет и проектирование плавных согласующих переходов между прямоугольным волноводом и многогребневыми волноводными структурами с П-выступом и квазистационарными ВСС
При проектировании СВЧ нагревательных систем с равномерным нагревом на волноводах сложного поперечного сечения (ВСС) возникает задача обеспечения неотражающей передачи в рабочую камеру (РК) электротехнологической установки СВЧ мощности от генератора, выход которого, как правило, выполнен на отрезках стандартных волноводов (прямоугольный, цилиндрический, коаксиальный). Эта задача может быть решена на основе создания плавных согласующих переходов (СП) между СВ и ВСС.
При этом к данным переходам предъявляются определенные требования. Во-первых, они должны обеспечивать неотражающую передачу СВЧ мощности во всем доминантном диапазоне длин волн стандартных волноводов (СВ), длина волны основного типа (Лс0) по длине перехода должны быть выше Ясо СВ, а критическая длина волны первого высшего типа (ЯС1) соответственно ниже величины ЛС1 СВ. Кроме того, изменение профиля перехода в направлении распространения ЭМГ волны не должно приводить к дополнительному отражению СВЧ мощности, что может быть достигнуто путем плавного изменения продольного профиля перехода, при котором наблюдается монотонное изменение волнового сопротивления. Необходимо заметить, что второе требование является основным условием оптимизации перехода.
Расчет согласующих переходов СВ - ВСС строится на основе решения прямой внутренней краевой задачи электродинамики (ВКЗЭ) для квазистационарных ВСС. Комплексный анализ электродинамических свойств и структуры ЭМГ поля данных волноводов позволяет определить форму СП. Определенную трудность расчета конструкции СП в данном случае представляет сложность геометрии ВСС, которая определяется большим числом геометрических параметров, нежели СВ, что усложняет комплексный анализ диапазонных свойств собственных электродинамических параметров и структуры электромагнитного поля основной волны. Поскольку расчет продольной геометрии СП представляет решение обратной задачи ВКЗЭ для ВСС, то существует несколько подходов к определению оптимальной геометрии перехода. Во-первых, это наиболее апробированный графоаналитический метод решения данной задачи [64,65,6]. Расчет конструкции перехода на основе графоаналитического метода упрощается и становится наиболее наглядным, если результаты расчета собственных электродинамических параметров (Л10,ЛС1 или
4 = ЛС0/АСХ - широкополосность) для различных конфигураций поперечного сечения ВСС могут быть представлены в одном квадранте. Данный подход был успешно реализован в работе [64] при расчете конструкции плавного согласующего перехода между прямоугольным волноводом (СВ) и прямоугольным волноводом с Т-ребром. Однако, во многих случаях представить результаты решения прямой ВКЗЭ в одном квадранте не удается, что усложняет определение геометрии перехода с помощью графоаналитического метода. Одним из таких переходов является СП между прямоугольным волноводом и П-волноводом (рис.1 а) ). Данный волновод широко используется в СВЧ энергетике при создании микроволновых установок равномерного нагрева листовых диэлектрических материалов, при этом обрабатываемый материал пропускается в центре емкостного зазора, т.е в области однородности электрического поля основной волны П по волновода. В связи с этим, при определении оптимальной геометрии СП наиболее рациональным является автоматизированный расчет конструкции перехода. Как было показано выше, в основе расчета геометрии СП лежат зависимости [66,1]: Лсо = (px(t I a,d I b,b I а,а), (1) ЛС1 = p2(t/a,d/b,b/a,a), которые рассчитываются методом конечных элементов с применени ем принципа Галеркина и взвешенных невязок при помощи програм мы WGA [67,68]. Расчет геометрии СП между прямоугольным вол новодом (ПрВ) и П - волноводом (ПВ) может быть осуществлен двумя путями. Во-первых, задается геометрия перехода с макси мально плавным изменением продольного профиля СП (t/a(z),d/b(z),a(z)) при b = const, и находятся значения Лс0(г) и Лс1(г), где z — продольная координата, определяющая направления распространения доминантной волны. Далее определяется выполнение условий: А:о (г) — Arocs» (2) Ал (z) - Алев по всей длине перехода. В соотношениях (2) Лсосв, Лсхсв - критические длины волн основного и первого высшего типа прямоугольного волновода (ДС0Св=2а; ЛС1СВ=а). Данный подход представляет собой, по сути дела решение прямой ВКЗЭ. Второй подход к созданию согласующего перехода ПрВ - ПВ подразумевает задание Лсо(г) и ЛС1(г) по длине перехода, удовлетворяющие условиям (2), и автоматически определяются значения 11a(z),dIb(z),a(z), удовлетворяющие искомым условиям (2) (то есть геометрия перехода). При этом оптимальной геометрией будет геометрия с максимально плавным изменением продольной геометрии перехода. Поскольку при решении данной задачи величины АС0СВ,АС1СВ и Асовсс, Асхвсс заданы, то кривых, соединяющих точки Асосв, АСЇСВ с точками Асовсс, Асхвсс и удовлетворяющих условиям (2) бесконечно много. В связи с этим, оптимизация геометрии перехода при данном подходе представляет наиболее трудоемкую часть задачи. Заметим, что данный подход представляет непосредственное решение обратной ВКЗЭ для нерегулярных ВСС [69].
Наиболее простым в изготовлении является переход, у которого изменение геометрических н параметров - t(z), d(z), a(z) носит линейный характер. На рис.36 б) приведены кривые Aco/a(z) и Acl/a(z) перехода с линейно изменяющейся продольной геометрией. Характерной особенностью данного перехода является уменьшение полосы пропускания по сравнению с ПрВ, то есть в данном переходе не выполняются условия (2). Как показали комплексные исследования линейных переходов, максимальная полоса пропускания АД составляет около 65% от ААСВ (ААсв=АСосв - Ллся)- Несмотря на то, что в данных переходах не соблюдается условие (2), они могут использоваться при создании СВЧ нагревательных установок на основе квазистационарных ВСС, поскольку диапазон длин волн, отведенных для целей СВЧ-энергетики составляет-А0±2,5%(А0 - рабочая длина волны), что значительно ниже максимальной полосы пропускания линейных переходов.
Наиболее плавное изменение продольной геометрии СП достигается [70] при одновременном нелинейном изменении как внутренней, так и внешней геометрии перехода ПрВ - ПВ, при этом более существенное влияние на диапазонные свойства СП оказывает изменение формы П - выступа. Это позволяет для практических целей при создании СВЧ нагревательных установок равномерного нагрева произвольных диэлектрических материалов на основе нерегулярных квазистационарных ВСС предпочтение отдавать СП А - типа как компромиссному варианту между переходами В и D типов. Использование в конструкции СВЧ нагревательных установок того или иного согласующего перехода нелинейного типа в основном определяется технологией термообработки и габаритами нагреваемого диэлектрического материала.
Оптимизация конструкции СВЧ установок равномерного нагрева произвольных поглощающих ЭМГ мощность диэлектрических термопараметрических материалов
Как было показано в разделе 3.1, расчет геометрии рабочей камеры СВЧ установок с qv =comt и теплоизоляцией внешней поверхности образца основан на решении внутренней краевой задачи электродинамики для частично заполненного квазистационарного ВСС, который является основой создания РК. При этом в основе расчета продольной геометрии рабочей камеры лежит соотношение (3.1), кривая зависимости а(%г) которого приведена на рис.55. Анализ кривой а( г) показывает, что наибольшую трудность в определении конструкции РК представляет ее выходная часть, в которой а-юо. Поскольку прямое решение обратной внутренней краевой задачи электродинамики для квазистационарных волноводных структур сложного поперечного сечения при частичном заполнении термопараметрическим поглощающим СВЧ мощность материалом невозможно, то для расчета искомой геометрии РК необходимо проведение комплексных исследований диапазонных свойств собственных электродинамических параметров и структуры ЭМГ поля данных волноводных структур.
При этом каждая из зависимостей распадается на несколько необходимых для исследования функциональных зависимостей. Так, например, первое соотношение системы (3.14) предопределяет влияние внешней и внутренней геометрии ВСС \/ /ъ а/ъ\ на Диапазонные свойства коэффициента затухания основной волны волновода, а второе соотношение (3.14) требует исследования поглощающих свойств обрабатываемого материала от габаритов, электрофизических свойств s1, tgd образца, его габаритных размеров и характера изменения электрофизических и тепловых параметров в рабочем диапазоне температур. Это достаточно трудно решаемая задача, поскольку электротехнологический процесс в данных системах носит многопараметрический характер.
Эффективность применения соотношений (3.14) существенно зависит от учета особенностей электротехнологической обработки материала. При конвейерной термообработке материалов, электрофизические и тепловые свойства которых зависят от температуры нагрева - это неизменность габаритов обрабатываемого материала; при стационарной обработке - это требуемый диапазон температур нагрева образца и характер изменения электрофизических и тепловых свойств обрабатываемого материала в рабочем диапазоне температур. Конкретный расчет возможных конструкций рабочих камер СВЧ нагревательных систем проведем на основе ВСС прямоугольного поперечного сечения (ПВТР, П и Н - волноводы). При фиксации геометрического приведенного параметра b/.a = const первое соотношение (3.14) зависит от трех параметров - tla,dlb,a{z). Второе соотношение (3.14) для конвейерных СВЧ систем равномерного нагрева определяет зависимость реального коэффициента заполнения по длине рабочей камеры - w/a( z). Третье соотношение системы уравнений (3.14) принципиально для систем стационарного типа, поскольку определяет геометрию РК для указанного температурного интервала обработки материала, электрофизические и тепловые параметры которого изменяются в процессе термообработки.
При этом толщина (d0=const) и ширина (w = const) обрабатываемого материала остается неизменной. Построение искомого профиля рабочей камеры данных СВЧ нагревательных систем можно провести на основе прямого численного решения ВКЗЭ для квазистационарных волноводных структур сложного поперечного сечения и комплексного анализа поглощающих свойств РК при частичном термопараметрическом заполнении квазистационарного волновода.
Расчет геометрии рабочей камеры начинается с определения габаритов входного сечения. Для этого воспользуемся соотношением (3.12). Поскольку ширина обрабатываемого материала известна, мы легко можем определить величину а0, которая и определяет возможную геометрию входного сечения ВСС. Как было показано выше, полученному значению а0 соответствует бесконечное число возможных конфигураций входного сечения ВСС на заданной рабочей длине волны. Учитывая, что продольный профиль рабочей камеры, обеспечивающий qv= const в объеме обрабатываемого материала, уменьшается в направлении распространения волны, то для обеспечения равномерного нагрева по всей ширине образца входные габариты рабочей камеры должны быть максимальны на заданной Л(Лпшхо тахо) ПРИ этом для упрощения расчета продольного профиля РК необходимо зафиксировать по всей длине камеры Ыа = 0.5.
Соотношение (3.18) справедливо для квазистационарных волно-водных структур прямоугольного поперечного сечения (П и Н-волноводы, ПВТР, модифицированный ПВТР, многогребневый волновод и др. (рис.60)) и позволяет определить не только конструкцию рабочей камеры, но и режим распространения ЭМГ волны основного типа при изменении продольной геометрии РК. На рис.64 приведены дисперсные зависимости /W) и aVJ&J прямоугольного волновода с Т-ребром, частично заполненного термопараметрическим поглощающим СВЧ-мощность материалом при V = 0.5, / = 0.05, tgd = 0.l, є =9, Уь=0Л и различных значениях (/ = 0.1;0.3;0.5. Поскольку в конвейерных СВЧ установках равномерного нагрева термопараметрических материалов поперечного типа (рис.65) величина d = const по всей длине рабочей камеры, то однородная погонная плотность тепловых источников в термопараметрическом поглощающем СВЧ мощность диэлектрическом материале может быть достигнута путем вариаций двух геометрических параметров a{z) и t(z) при у = const и / = const.
Данное положение несколько упрощает анализ диапазонных свойств собственных электродинамических параметров квазистационарных волноводов (ПВТР), а также расчет продольной геометрии рабочей камеры установки, обеспечивающей равномерный нагрев диэлектрического материала. Однако построение продольного профиля требует анализа большого количества кривых Р/W) и / Й/), которые, в со v a /COV а основном, определяются возможным диапазоном изменений геометрических параметров /(г), д(г), /(z). При этом в установках поперечного типа (рис.65) изменение электрофизических свойств обрабатываемого материала происходит только в направлении его перемещения, которое перпендикулярно направлению распространения основной волны ВСС.
