一种微波场混沌搅拌器的数值仿真分析方法技术

本发明专利技术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。本发明专利技术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。

A numerical simulation analysis method for a microwave field chaotic agitator

The invention discloses an analysis method for the numerical simulation of microwave chaotic mixer, first establish the random motion function model of component mixing microwave field finite element model and chaos stirrer microwave field chaos stirrer in; and define the boundary constraint and control equation of microwave field chaos stirrer geometry model of the region; and then solved by finite element method the control equation of microwave electromagnetic field distribution in the chaotic mixer. The invention combines random motion function model and finite element model, simulation of non random movement fixed mixing elements of the microwave field in chaos stirrer using random function model, and then get the moving mesh changes with mixing elements, partial differential equations and solved by finite element method of electromagnetic field, so as to obtain the time-varying dynamic microwave electromagnetic field chaos stirrer distribution.

【技术实现步骤摘要】
一种微波场混沌搅拌器的数值仿真分析方法
本专利技术属于计算机数据处理
，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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术的目的旨在，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，本专利技术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；(2)定义微波场混沌搅拌器几何模型网格区域的控制方程和边界约束方程；(3)建立微波场混沌搅拌器中搅拌部件的随机运动函数模型；(4)求解微波场混沌搅拌器内的动态电磁场分布，包括以下分步骤：(41)初始化，对步骤(1)得到的微波场混沌搅拌器有限元模型进行初始化，并设定电磁场求解程序运行时间；(42)函数更新，将当前时刻代入步骤(3)获得的搅拌部件随机运动函数模型，获取搅拌部件位移值，将其作为当前时刻搅拌部件网格节点位移值；并依据搅拌部件网格节点位移值获得搅拌部件之外网格节点位移值，完成一次函数更新；(43)网格移动，将步骤(42)获取的当前时刻微波场混沌搅拌器网格节点位移值加载到网格上，完成网格移动；(44)网格畸变判断，判断最小网格质量是否小于设定值，若小于设定值，网格发生畸变，进入步骤(47)；若不小于设定值，网格没有发生畸变，进入步骤(45)；(45)电磁场分布计算，根据步骤(43)获得的移动之后的网格、边界约束方程以及上一时刻得到的微波场混沌搅拌器的电磁场结果，利用有限元法求解控制方程获得当前时刻微波场混沌搅拌器的电磁场分布；(46)判断是否达到设定运行时间，若达到设定运行时间，得到微波场混沌搅拌器的动态电磁场分布，任务完成；若没有达到设定时间，在当前时刻基础上增加设定时间间隔作为下一个当前时刻，然后返回步骤(42)；(47)网格重构，依据搅拌部件当前时刻的位移值，获取当前时刻搅拌部件的坐标值，再根据网格划分原理对搅拌器的几何模型进行剖分，得到重构后的几何模型网格，并以网格畸变时刻为当前时刻返回步骤(42)。上述微波场混沌搅拌器的数值仿真分析方法，利用随机函数建立微波场混沌搅拌器中搅拌部件的随机运动函数模型，并将该模型与有限元模型相结合，得到不同时刻的移动网格，再利用有限元方法求解获得微波场混沌搅拌器的电磁场分布；为了避免因网格畸变，导致电场强度、磁场强度在一个几何坐标点上出现多个值，造成奇异矩阵，在对建立的微波场混沌搅拌器的有限元模型进行求解得到微波场混沌搅拌器内的电磁场分布过程中，在网格完成移动后，增加了对移动后网格是否发生畸变的判断，若网格发生畸变，就对网格进行重构，通过对网格进行重构，避免因网格畸变出现奇异矩阵而导致的结果不收敛或者结果错误，实现对具有运动物体的电磁场分布的计算。上述微波场混沌搅拌器的数值仿真分析方法，所述步骤(1)的目的在于构建微波场混沌搅拌器的几何模型，并对其进行网格划分，以便于利用有限元方法求解对电磁场偏微分方程获得微波场混沌搅拌器内的电磁场分布。微波场混沌搅拌器的几何模型可以通过常规绘图软件(如AutoCAD、Solidworks)等，然后插入有限元分析软件中，也可以直接在有限元分析软件中绘制微波场混沌搅拌器的几何模型；所构建的搅拌器几何模型包括微波腔体，位于微波腔体内的搅拌部件以及位于微波腔体一侧、为微波腔体提供激励电磁波的波导；当插入有限元软件的几何模型为三维几何模型时，为了减少计算量，可将三维几何模型简化为二维几何模型，例如可沿微波场混沌搅拌器入射波导轴向取其横截面，得到简化的二维几何模型。当搅拌器几何模型构建好后，便可得知其几何区域包括几何坐标原点、搅拌部件的边长尺寸、微波腔体的边长尺寸、波导尺寸以及波导馈入端口等。上述微波场混沌搅拌器的数值仿真分析方法，根据有限元求解偏微分方程的流程，在求解前处理中要对几何体进行网格划分，将几何体离散成一个一个小的区域，然后求解其节点上的值；网格的尺寸越小，求解所得到的结果就越精确，但是所耗费的求解资源也越大；对于有限元的网格剖分算法可以采用本领域已经披露的常规算法(参见文献《平面区域有限元三角网格剖分算法研究》)；为了求解电磁波动方程，最大网格单元尺寸应该小于激励电磁波波长的六分之一才能够精确解析电本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种微波场混沌搅拌器的数值仿真分析方法，其特征在于包括以下步骤：(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；(2)定义微波场混沌搅拌器几何模型网格区域的控制方程和边界约束方程；(3)建立微波场混沌搅拌器中搅拌部件的随机运动函数模型；(4)求解微波场混沌搅拌器内的动态电磁场分布，包括以下分步骤：(41)初始化，对步骤(1)得到的微波场混沌搅拌器有限元模型进行初始化，并设定电磁场求解程序运行时间；(42)函数更新，将当前时刻代入步骤(3)获得的搅拌部件随机运动函数模型，获取搅拌部件位移值，将其作为当前时刻搅拌部件网格节点位移值；并依据搅拌部件网格节点位移值获得搅拌部件之外网格节点位移值，完成一次函数更新；(43)网格移动，将步骤(42)获取的当前时刻微波场混沌搅拌器网格节点位移值加载到网格上，完成网格移动；(44)网格畸变判断，判断最小网格质量是否小于设定值，若小于设定值，网格发生畸变，进入步骤(47)；若不小于设定值，网格没有发生畸变，进入步骤(45)；(45)电磁场分布计算，根据步骤(43)获得的移动之后的网格、边界约束方程以及上一时刻得到的微波场混沌搅拌器的电磁场分布，利用有限元法求解控制方程获得当前时刻微波场混沌搅拌器的电磁场分布；(46)判断是否达到设定运行时间，若达到设定运行时间，得到微波场混沌搅拌器的动态电磁场分布，任务完成；若没有达到设定时间，在当前时刻基础上增加设定时间间隔作为下一个当前时刻，然后返回步骤(42)；(47)网格重构，依据搅拌部件当前时刻的位移值，获取当前时刻搅拌部件的坐标值，再根据网格划分原理对搅拌器的几何模型进行剖分，得到重构后的几何模型网格，并以网格畸变时刻为当前时刻返回步骤(42)。...

【技术特征摘要】
2017.06.01 CN 20171040386181.一种微波场混沌搅拌器的数值仿真分析方法，其特征在于包括以下步骤：(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；(2)定义微波场混沌搅拌器几何模型网格区域的控制方程和边界约束方程；(3)建立微波场混沌搅拌器中搅拌部件的随机运动函数模型；(4)求解微波场混沌搅拌器内的动态电磁场分布，包括以下分步骤：(41)初始化，对步骤(1)得到的微波场混沌搅拌器有限元模型进行初始化，并设定电磁场求解程序运行时间；(42)函数更新，将当前时刻代入步骤(3)获得的搅拌部件随机运动函数模型，获取搅拌部件位移值，将其作为当前时刻搅拌部件网格节点位移值；并依据搅拌部件网格节点位移值获得搅拌部件之外网格节点位移值，完成一次函数更新；(43)网格移动，将步骤(42)获取的当前时刻微波场混沌搅拌器网格节点位移值加载到网格上，完成网格移动；(44)网格畸变判断，判断最小网格质量是否小于设定值，若小于设定值，网格发生畸变，进入步骤(47)；若不小于设定值，网格没有发生畸变，进入步骤(45)；(45)电磁场分布计算，根据步骤(43)获得的移动之后的网格、边界约束方程以及上一时刻得到的微波场混沌搅拌器的电磁场分布，利用有限元法求解控制方程获得当前时刻微波场混沌搅拌器的电磁场分布；(46)判断是否达到设定运行时间，若达到设定运行时间，得到微波场混沌搅拌器的动态电磁场分布，任务完成；若没有达到设定时间，在当前时刻基础上增加设定时间间隔作为下一个当前时刻，然后返回步骤(42)；(47)网格重构，依据搅拌部件当前时刻的位移值，获取当前时刻搅拌部件的坐标值，再根据网格划分原理对搅拌器的几何模型进行剖分，得到重构后的几何模型网格，并以网格畸变时刻为当前时刻返回步骤(42)。2.根据权利要求1所述微波场混沌搅拌器的数值仿真分析方法，其特征在于当步骤(1)中插入的微波场混沌搅拌器几何模型为三维几何模型时，将三维几何模型沿微波场混沌搅拌器入射波导轴向取横截面，得到简化的二维几何模型。3.根据权利要求2所述微波场混沌搅拌器的数值仿真分析方法，其特征在于当微波场混沌搅拌器几何模型为二维几何模型时，网格划分为三角形单元或四边形单元。4.根据权利要求1所述微波场混沌搅拌器的数值仿真分析方法，其特征在于所述步骤(1)建立微波场混沌搅拌器有限元模型，包括定义微波场混沌搅拌器中搅拌部件材料属性、微波场混沌搅拌器腔体内空间介质属性以及定义空间框架坐标系和材料框架坐标系。5.根据权利要求1所述微波场混沌搅拌器的数值仿真分析方法，其特征在于所述步骤(2)中，微波场混沌搅拌器所在几何...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨晓庆，周杰，吴诗月，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
国别省市：四川,51