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仿真APP在微波加热仿真分析中的应用

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发表于 2024-5-27 18:20:46 | 显示全部楼层 |阅读模式

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一、背景介绍
微波炉是一种常用的食物加热工具,主要是由腔室、磁控管、波导管三个部分组成。在工作过程中,磁控管产生波长约为12.2cm的微波(对应频率2.45GHz),通过波导管注入腔室内,在腔室内产生振荡的磁场和电场,引起食物内水分子等极性分子的快速运动,从而产生热量,加热食物。

                               
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图1 微波炉示意图
但在日常生活使用中,我们经常会碰到这样的问题:为什么加热后的食物第一口烫嘴,但是第二口下去却又冷冰冰的?到底要加热多长时间才合适?食物在微波炉内到底是从内向外加热还是从外向内加热?
为了解开这些疑惑,我们通过仿真分析,可以计算出食物在加热过程中,腔室内电磁场分布情况、食物功率损耗密度分布和食物传热分布。基于Simdroid多物理场仿真Paas平台开发的微波炉多物理场分析APP,可以对微波炉工作过程中食物加热机理进行快速分析并对加热过程进行直观展示。
  
二、仿真APP解决方案
通过采用多物理场仿真平台Simdroid提供的电磁-热耦合分析功能,可以对微波加热食物过程中电磁场分布以及食物加热温升过程进行同步分析计算。基于其内置的APP开发器,以无代码化的方式便捷封装全参数化仿真模型及仿真流程,将仿真知识、专家经验等固化为微波炉多物理场仿真APP,可供没有仿真经验的使用者快速上手使用。
本文以一个功率为1kW的典型微波炉为例,介绍微波炉多物理场仿真APP的制作方法,并基于仿真APP对不同食物材料参数、不同食物大小、不同加热时长结果进行对比和评估,揭示微波炉加热过程中的多物理场耦合过程。
1、仿真流程搭建
1)新建高频电磁-热耦合多场仿真工程。

                               
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图2 新建多物理场工程界面
2)参数化建模。建立微波炉和食物模型,将其关键设计尺寸参数化。

                               
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图3 参数列表

                               
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图4 微波炉简化模型
3)材料参数设定。为空气、食物、托盘定义电磁参数和热参数。

                               
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图5 材料设置
4)网格划分。采用四面体网格,对食物处进行网格加密。

                               
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图 6 网格剖分
5)边界条件和激励端口添加。在波导管输入口添加波导端口,馈入1kW TE10模式的微波功率源,采用理想电导体模拟微波炉腔体金属壁。

                               
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图 7 边界条件及激励设置
6)输出变量设置。通过场监视器选项,选择输出电场强度、功率损耗密度,电场强度用于展示加热过程中的电场分布,功率损耗密度用于为热求解器提供热源。

                               
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图8 设置场监视器
7)求解设置。设置求解频率,微波炉工作频率为2.45GHz。

                               
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图9 分析频率设置
8)添加热场部件。对需要进行热分析的组件添加热场部件。

                               
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图10 热部件设置
9)添加瞬态分析。

                               
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图11 添加瞬态热场分析
10)设置瞬态分析求解参数。将子步周期绑定为参数t1。

                               
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图12 求解参数设置
11)设置初始温度为293.15K。

                               
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图13 初始温度设定
12)添加对流边界。

                               
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图14 对流边界设置
13)添加耦合设置项,添加需要进行耦合的区域。

                               
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图15 设置耦合区域
14)计算结果。分别查看XZ面和YZ面电场云图切面图以及XZ面温度云图切面图。

                               
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图16 XZ面电场切面图

                               
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图17 YZ面电场切面图

                               
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图18 XZ面温升切面图
2、仿真APP封装
基于Simdroid平台提供的仿真APP开发环境,通过选择和鼠标拖拽的方式搭建器件分析APP界面,将微波炉多物理场的分析过程进行封装,开发具有尺寸设计、材料设置、仿真环境调节、设计分析求解、结果查看完整过程的一体化仿真APP,如下图所示。

                               
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图19 仿真APP开发环境
3、基于仿真APP的结构设计
本仿真APP针对微波炉加热过程进行多物理场耦合分析,可实现:
1)评估不同食物大小和材料参数下炉内电磁场分布以及各个时间点下温升分布;
2)计算不同电磁炉结构对加热效率的影响;
3)直观展示微波炉加热过程中的多物理场耦合过程。

                               
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图20 仿真APP界面及结果

                               
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图20 仿真APP界面及结果

                               
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图20 仿真APP界面及结果
以上便是利用仿真APP对微波加热食物过程进行分析的全过程。
4、微波炉多物理场分析APP应用
针对微波炉加热过程中多物理场过程分析而设计的微波炉物理场分析APP,旨在让我们更直观地了解使用微波炉加热食物时,食物内部的物理变化过程。通过本APP,我们可以仿真分析不同大小、不同材质的食物加热不同时间的温升分布。至此,我们对本文开头提到的几个疑问应该已经有答案了。
下次我们在使用微波炉加热食物之前也许可以打开我们的手机,登录仿真APP商店Simapps,点开微波炉多物理场分析APP,设置参数、点击计算、查看结果,就可以知道应该将加热时间设为多久了。
立即体验微波炉多物理场分析APP:微波炉多物理场分析 - Simapps Store - 工业仿真APP商店
  
三、仿真APP赋能每一个工业品
相较于传统有限元仿真软件,基于Simdroid开发的仿真APP更加灵活轻便,用户可以零门槛低成本、跨平台跨终端随时随地访问云平台进行仿真分析工作,提升产品研发效率。
同时,Simapps平台也支持企业产商将仿真APP的在线计算结果界面内嵌到官方网站产品宣传页,或将仿真APP的二维码植入到产品介绍手册,为产品用户展示产品的科学设计方式及产品性能,提供产品使用场景的仿真分析。
仿真APP赋能每一个工业品,助力企业提升产品竞争力。仿真APP赋能对接:仿真APP赋能 - Simapps Store - 工业仿真APP商店
  
四、关于Simdroid
Simdroid(中文名“伏图”)是云道智造自主研发的通用多物理场仿真PaaS平台,具备自主可控的隐式结构、显式动力学、流体、热、低频电磁、高频电磁、多体动力学等通用求解器,支持多物理场耦合仿真。在统一友好的环境中为仿真工作者提供前处理、求解分析和后处理工具。同时,作为仿真PaaS平台,其内置的APP开发器支持用户以无代码化的方式便捷封装参数化仿真模型及仿真流程,将仿真知识、专家经验转化为可复用的仿真APP。  欢迎使用 Simdroid平台开发(定制)属于您自己的仿真APP:伏图® - Simapps Store - 工业仿真APP商店

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