[发明专利]一种微波场混沌搅拌器的数值仿真分析方法

说明书

本发明公开了一种微波场混沌搅拌器的数值仿真分析方法，首先建立微波场混沌搅拌器的有限元模型以及微波场混沌搅拌器中搅拌部件的随机运动函数模型；并定义微波场混沌搅拌器几何模型区域的控制方程和边界约束方程；再利用有限元法求解控制方程得到微波场混沌搅拌器内的电磁场分布。本发明将随机运动函数模型与有限元模型相结合，利用随机函数模型模拟微波场混沌搅拌器中非固定搅拌部件的随机运动，进而得到随搅拌部件变化的移动网格，再利用有限元法求解电磁场的偏微分方程，从而可以获得随时间变化的微波场混沌搅拌器的动态电磁场分布。

技术领域

本发明属于计算机数据处理技术领域，涉及一种电磁场的数值仿真分析，具体涉及一种应用于微波炉的微波场混沌搅拌器的数值仿真分析方法。

背景技术

随着社会进步和微波能利用技术的发展，微波炉的使用越来越普及。因微波具有良好的穿透性，能直接将能量送入被加热物体内部，实现对物体内部和外部的同时加热，从而极大地缩短了加热时间，提高了加热效率。但由于微波加热的不均匀性会使得食物内部出现过熟和欠熟区域，导致食物无法安全食用，从而制约微波能的有效应用。因此，改善微波加热过程中受热物料温度分布不均的现象显得意义重大。

微波炉加热不均匀的主要原因之一是由于微波炉腔体能量分布的不均匀性；为了改善能量在空间分布的不均匀性，目前的通用做法是添加微波场搅拌器；微波场搅拌器一般由多片共轴安装在在微波炉腔体的顶部的金属扇叶构成，在电机带动，金属扇叶的旋转可以改变微波炉腔体的边界条件，使微波炉内的电磁场分布随着叶片的旋转而跟着旋转或不断的变化，从而可以使微波场的均匀性得到一定的改善；但是微波场搅拌器的位置固定，搅拌具有周期性，这将导致而能量分布也存在周期性的变化，从而使微波场能量均匀性改善存在一定的局限性，改善效果不是很明显。

为克服上述已有技术缺陷，需要设计一种可以实现微波场能量均匀化的非固定式微波场搅拌器；为此，需要先通过数值仿真方法对非固定式微波场搅拌器的搅拌效果进行计算机分析，以得到微波腔体中能量分布情况及相关参数，进而获得微波腔体内电磁分布规律。

目前，人们已经提出了多种方法以实现对电磁环境的仿真计算，例如矩量法、时域有限差分法、有限元法等。其中矩量法是由R.F.Harrington首先应用于电磁问题的求解，其主要思想是将积分方程化为差分方程，或者是将积分方程中积分化为有限求和，从而建立代数方程组，最后输入计算机求解代数方程组；在求解代数方程组的过程中，矩阵规模的大小涉及到占用内存的多少，将会直接影响计算的速度；此外该方法仅适用于计算静止物体的电磁场问题，对于移动物体的实时计算不在适用。时域有限差分法的基本思想是用中心差商代替场量对时间和空间的一阶偏微商，通过在时域的递推模拟波的传播过程，从而得出场分布，该方法适合研究瞬态过程中的电磁波传播问题。有限元法则是将连续的求解域离散为一组单元的个组合体，用在每个单元内假设的近似函数来分片的表示求解域上待求的未知场函数；近似函数通常由未知场函数及其导数在单元各节点的数值插值函数来表达，从而使一个连续的无限自由度问题变成离散的有限自由度问题。

然而，对于非固定式微波场搅拌器，其中的搅拌部分是不固定的，使得微波腔体中不仅含有运动的物体，而且物体的运动具有不确定性，这已经超出上述矩量法和时域有限差分方法的适用范围；此外，由于网格是表征几何的计算区域，物体移动造成网格的变形，使得网格发生反转和畸变导致不能计算，传统有限元法也难以实现非固定式微波场搅拌器微波腔体内电磁场分布的数值模拟。

发明内容

本发明的目的旨在，针对非固定式微波场搅拌器的电磁场分布，缺少有效、可行的数值仿真技术的现状，提供一种微波场混沌搅拌器的数值仿真分析方法，以得到微波腔体中能量分布情况。

为了达到上述目的，本发明提供了一种微波场混沌搅拌器的数值仿真分析方法，包括以下步骤：

(1)在有限元分析软件中绘制或插入微波场混沌搅拌器的几何模型，对建立的微波场混沌搅拌器几何模型进行网格划分，得到微波场混沌搅拌器有限元模型；