黃 亮，姚 斌，和 偉，張建宇

（云南師范大學(xué) 物理與電子信息學(xué)院，云南 昆明 650092）

微波加熱具有速度快、可控性強(qiáng)、加熱效率高等諸多優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)廣泛運(yùn)用在冶金、農(nóng)產(chǎn)品干燥、化工以及特殊材料制備等諸多領(lǐng)域。微波反應(yīng)腔是微波加熱的關(guān)鍵設(shè)備，不同的微波反應(yīng)腔會(huì)帶來不同的加熱效率和均勻性。設(shè)計(jì)合理的微波反應(yīng)腔能夠極大地提高微波加熱的效率和均勻性。姚斌[1]用HFSS軟件仿真研究了饋口位置、負(fù)載對微波加熱效率的影響并進(jìn)行優(yōu)化，得出饋口相互垂直比饋口平行時(shí)饋口間的反射功率小，并對腔體進(jìn)行了優(yōu)化，提高了加熱腔體的加熱效率；孫鵬等[2]利用COMSOL Multiphysics仿真了饋口位置、樣品位置及大小對微波加熱效率的影響；張瑾等[3]對微波加熱的均勻性以及微波閃蒸多模腔體進(jìn)行了優(yōu)化研究，得出了圓柱諧振腔體內(nèi)的電磁場分布對諧振腔的幾何參數(shù)極其敏感，對腔體尺寸進(jìn)行恰當(dāng)?shù)膬?yōu)化，提高微波加熱的效率，改善微波加熱的均勻性。但截至目前，尚未見到有關(guān)腔體壁可調(diào)的微波反應(yīng)腔的相關(guān)研究報(bào)道。文章在分析微波反應(yīng)腔相關(guān)理論的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一款十字形可調(diào)腔體壁微波反應(yīng)腔，利用HFSS研究了可調(diào)腔體壁對加熱效率的影響，并進(jìn)行了優(yōu)化。

1 模型

微波腔體中的電磁場可利用麥克斯韋方程組求得。鑒于微波爐中的介質(zhì)可近似看作線性、各向同性、有耗介質(zhì)，其非均勻分布時(shí)，電場的控制方程可推導(dǎo)為：

2 加熱效率的計(jì)算方法

微波加熱器加熱效率是由微波加熱器輸入功率和實(shí)際功率決定的。在HFSS仿真軟件中，S參數(shù)是衡量器件好壞的一個(gè)重要參量，其本身的定義即為歸一化電壓的比，所以功率比其實(shí)是S參數(shù)的平方。為了便于計(jì)算四饋口的輸入電磁波功率均歸一化為1 W，其微波間的吸收效率η表示為：

式中，Power11，Power22，Power33，Power44表示饋口1、饋口2、饋口3和饋口4之間的反射功率，Power12，Power13，Power14，Power23，Power24，Power34分別表示饋口12、饋口13、饋口14、饋口23、饋口24、饋口34之間的透射功率。

3 仿真結(jié)果

3.1 饋口位置對加熱效率及仿真優(yōu)化

微波加熱器四饋口互相垂直時(shí)，可調(diào)腔體壁內(nèi)正方體棱長長度α=400 mm，腔體變化參數(shù)d1，d2，d3，d4都為100 mm，饋口的反射功率及加熱效率隨r0的變化如圖1—2所示。可以看出，當(dāng)饋口位置參數(shù)r0＞40 mm時(shí)，加熱效率開始呈減小的趨勢，r0=130 mm時(shí)，出現(xiàn)最小值。最大值可達(dá)87%。因此在設(shè)計(jì)過程中，饋口間的間距不宜設(shè)計(jì)太大。

3.2 單壁可調(diào)時(shí)的加熱效率及仿真優(yōu)化

由于饋口位置參數(shù)r0=40 mm時(shí)反射功率最小，加熱效率最高，故r0取此參數(shù)。取饋口長度h=60 mm，中心正方體棱長α=400 mm，其中，3個(gè)腔體變化參數(shù)d為定值100 mm，另一個(gè)厚度為d時(shí)，饋口的反射功率及加熱效率隨厚度d的變化如圖2所示。可以看出，當(dāng)d=20 mm時(shí)，反射功率最大，加熱效率最小；當(dāng)d=90 mm時(shí)，反射功率最小，加熱效率最高，可達(dá)91%。

圖1 加熱效率隨饋口位置r0的變化

圖2 加熱效率隨腔體變化參數(shù)d的變化

圖3 加熱效率隨腔體變化參數(shù)d的變化

3.3 雙壁可調(diào)時(shí)的加熱效率及仿真優(yōu)化

當(dāng)d1，d3為100 mm，d2，d4為d時(shí)，饋口的反射功率及加熱效率隨厚度d的變化如圖3所示?？梢钥闯?，當(dāng)d=10 mm，20 mm，95 mm時(shí)，反射功率小，加熱效率高，最高可達(dá)93%。

（1）微波的加熱效率η隨著饋口位置參數(shù)r0的增大逐漸減小，所以在設(shè)計(jì)過程中，饋口的位置參數(shù)r0不應(yīng)取過大，且當(dāng)r0=40 mm時(shí)，微波反射功率較低，加熱效率較高。（2）可調(diào)腔體變化參數(shù)d在20～90 mm，微波反射功率呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢，微波加熱效率逐漸增大。在d=90 mm時(shí)，加熱效率取得最大值91%。（3）可調(diào)腔體壁相對面腔體變化參數(shù)d=10 mm時(shí)，微波反射功率最小，微波加熱效率最高93.1%；可調(diào)腔體壁相鄰面腔體變化參數(shù)d=95 mm時(shí)，微波反射功率最小，微波加熱效最高，最高為96.3%。（4）可調(diào)腔體變化參數(shù)d=85 mm，微波反射功率最小，微波加熱效率最高為88.1%，且d在80～105 mm范圍內(nèi)取得較大的加熱效率。

4 結(jié)語

合適的饋口位置以及對微波加熱器可調(diào)腔體變化參數(shù)的大小、微波加熱器的加熱效率起著十分重要的作用。在優(yōu)化仿真后，微波加熱器在頻率為2.45 GHz頻段下，微波加熱的加熱效率最高可達(dá)96.3%。對可調(diào)腔體微波加熱器的研制具有一定的指導(dǎo)意義。