Исследование эффективности взаимодействия микроволнового излучения с гранулированной диэлектрической средой

Явчуновский, Владимир Викторович

Исследование эффективности взаимодействия микроволнового излучения с гранулированной диэлектрической средой тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

Явчуновский, Владимир Викторович АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Саратов МЕСТО ЗАЩИТЫ

2006 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.03 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Исследование эффективности взаимодействия микроволнового излучения с гранулированной диэлектрической средой»

Автореферат диссертации на тему "Исследование эффективности взаимодействия микроволнового излучения с гранулированной диэлектрической средой"

ЯВЧУНОВСКИЙ Владимир Викторович

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ МИКРОВОЛНОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С ГРАНУЛИРОВАННОЙ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СРЕДОЙ

Специальность 01.04.03 - радиофизика

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико - математических наук

Саратов 2006

Работа выполнена на кафедре прикладной физики Саратовского государственного университета им. Н. Г. Чернышевского

Научные руководители: доктор физико - математических наук,

профессор Шаповалов Александр Степанович

Защита состоится 16 июня 2006г. в 1530 на заседании диссертационного совета Д.212.243.01 в Саратовском государственном университете по адресу: 410012, г. Саратов, ул. Астраханская, 83.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Саратовского государственного университета

Официальные оппоненты: доктор физико - математических наук,

с.н.с. Сучков Сергей Германович

доктор физико - математических наук, с.н.с. Григорьев Юрий Алексеевич

Ведущая организация:

ФГУП НПП "Алмаз'

Автореферат разослан

2006г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Аникин В. М.

<2.öo£A

Общая характеристика работы

В диссертации проведено исследование электродинамических и теплофизических процессов, протекающих под воздействием интенсивных электромагнитных полей в гранулированном диэлектрическом материале, находящемся в окружающей среде с иными температурой, давлением и влагосодержанием.

Анализу взаимодействия электромагнитного поля с диэлектриком, электрические и теплофизические свойства которого с течением времени изменяются под воздействием поля, посвящены работы И.И. Девяткина, Ю.С. Архангельского, И.Ф. Бородина, В.А. Коломейцева, И.А. Рогова. Выполненные в них исследования опираются на выведенные A.B. Лыковым уравнения тепло- и массообмена в подвергаемых тепловому воздействию объектах.

Ограниченные ресурсы вычислительной техники, существовавшей в период выполнения этих исследований, позволяли проводить моделирование только относительно простых систем без учета ряда существенных факторов. Так, при анализе энергопередающих процессов, протекающих в диэлектрической среде под воздействием электромагнитного поля СВЧ приходилось пренебрегать пространственными распределениями давления жидкости и пара. При этом рассматривалось воздействие электромагнитного поля только на сплошную диэлектрическую среду, в то время как в ряде практически важных случаев среда является гранулированной.

Кроме того, при решении задач взаимодействия электромагнитного поля с диэлектриком необходимо учитывать распределение поля в диэлектрическом образце, определяющееся, в свою очередь, конфигурацией электродинамической системы, расположением диэлектрика, распределением источников поля, а также соотношением длины волны и размеров гранул. Необходимо учитывать и взаимодействие диэлектрика с окружающей средой, основные характеристики которой (температура, давление и влагосодержание) в начальный момент времени отличаются от соответствующих характеристик диэлектрического слоя.

Распределенные высокочастотные потери в диэлектрическом заполнении электродинамической системы определяют нагрузку, а, соответственно, и выходные параметры магнетронов, используемых в таких системах в качестве источников электромагнитного излучения. В

работах Дж. Ф. Хэлла, Д. Коллинза, С. И. Бмикова,-Э.М, Гухцайта, м D U С ГI! Д Ü И?) i IА JIЬ11 Ая

БИБЛИОТЕКА С.-Петербург

ОЭ 200<£кт YJY

И.В.Лебедева, В. И Петроченкова исследовано влияние отражений от нагрузки на мощность и частоту генерации магнетрона, в т. ч., с учетом эффекта длинной линии.

В продолжение исследований этих авторов представляется целесообразным уточнить влияние параметров диэлектрика и электродинамической системы на величины мощности генерации и затягивания частоты магнетрона, а также исследовать возможность использования эффекта затягивания частоты для повышения однородности взаимодействия электромагнитного поля с диэлектриком.

Анализ электродинамических систем типа прямоугольной резонаторной камеры, возбуждаемой прямоугольным волноводом, можно проводить на основе методов электродинамического моделирования, развитых в работах Ю. Швингера, А. С. Ильинского и др. Для анализа распределения поля в прямоугольной резонаторной камере, возбуждаемой системой прямоугольных волноводов с общей плоскостью апертуры, проведения исследований, направленных на повышение однородности распределения электромагнитного поля в таких системах, эти методы необходимо дополнить.

Изложенное обусловливает актуальность темы диссертации и проводимых исследований.

Целью диссертационной работы является исследование эффективности взаимодействия интенсивного СВЧ поля с расположенной в электродинамической системе гранулированной диэлектрической средой, а также исследование изменения теплофизических характеристик диэлектрика под воздействием электромагнитного поля.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решаются следующие основные задачи:

- моделирование электродинамических и теплофизических процессов в гранулированной диэлектрической среде, подвергаемой воздействию электромагнитного поля внутри электродинамической системы;

- анализ распределения электромагнитных полей, возбуждаемых в прямоугольной камере системой волноводов с общей плоскостью апертуры.

Научная новизна результатов работы заключается в том, что:

- рассчитаны функции, характеризующие изменение во времени пространственной неоднородности свойств диэлектрических объектов, обусловленной взаимодействием материала с интенсивным

электромагнитным полем и окружающей средой; определены закономерности эволюции под воздействием электромагнитного поля комплексной диэлектрической проницаемости, а также температуры, давления и влагосодержания в гранулированном диэлектрическом материале;

проведено экспериментальное исследование и получена приближенная оценка влияния процессов в нагрузке магнетронного генератора - электродинамической системе с диэлектрическим заполнением - на частоту и мощность генерации магнетрона в режимах, близких к полному отражению от нагрузки (|Я|>0,8);

- впервые показана возможность использования эффекта затягивания частоты магнетрона в целях эффективного управления геометрическим положением пучностей возникающей в системе стоячей волны и, соответственно, для повышения однородности воздействия электромагнитного поля на диэлектрик;

- проведено моделирование электродинамических процессов в прямоугольной многомодовой резонаторной камере, возбуждаемой системой излучателей с общей плоскостью апертуры, с учетом несимметричного (относительно центра камеры в плоскости апертуры) расположения окон связи; доказано, что широкополосное согласование системы прямоугольных волноводов с возбуждаемой ими резонаторной камерой с диэлектрическим заполнением в виде тонкого диссипативного диэлектрического образца зависит, в основном, от расстояния от плоскости апертуры возбуждающих волноводов до диэлектрического образца, и существенно меньше - от толщины образца и расстояния от него до короткозамыкающей плоскости резонаторной камеры.

Научно-практическая значимость работы состоит в том, что результаты проведенных теоретических и экспериментальных исследований могут быть использованы при создании и подборе параметров систем для интенсивного электромагнитного воздействия на влажный диэлектрик. В частности, они были использованы при проектировании установок для термообработки пищевой продукции стационарного типа на базе прямоугольной резонаторной камеры, возбуждаемой четырьмя источниками излучения с общей плоскостью апертуры, а также конвейерных установок микроволновой сушки различных пищевых продуктов.

Методы исследований и достоверность полученных результатов.

Решение поставленных в диссертационной работе задач проводится, в основном, методами численного моделирования с аналитической обработкой результатов. Достоверность полученных выводов подтверждается сопоставлением результатов расчётов, численного моделирования и данных физических экспериментов, как

известных из литературных источников, так и выполненных автором диссертации.

Основные результаты и положения, выносимые на защиту:

1. Математическая модель, основанная на совместном решении уравнения, описывающего распространение электромагнитных волн в электродинамической системе с диэлектрическим заполнением, и системы дифференциальных уравнений, описывающих процессы тепло- и массообмена в макрочастице гранулированной влажной диэлектрической среды. На ее основе создана программа расчета, позволяющая проводить анализ процессов, протекающих в неоднородной диэлектрической среде, параметры которой изменяются во времени вследствие теплового воздействия интенсивного электромагнитного излучения и окружающей среды с отличными от диэлектрика температурой, давлением и влагосодержанием.

2. В процессе взаимодействия интенсивного электромагнитного излучения СВЧ со слоем диэлектрического материала имеет место изменение пространственного распределения его диэлектрических потерь (более быстрое в начале процесса их снижение на краях слоя) и сопутствующее перераспределение удельной мощности тепловых нагрузок от краев к середине слоя. Следствием этого является немонотонное в ходе процесса изменение неоднородности пространственного распределения комплексной диэлектрической проницаемости и теплофизических характеристик слоя диэлектрических гранул: в начале процесса неоднородность быстро возрастает, а затем постепенно снижается.

3. На основе совместного решения системы дифференциальных уравнений, описывающих распространение электромагнитных волн и процессы тепло- и массообмена, динамику давления в макрочастице диэлектрической среды выявлен немонотонный характер эволюции температуры, давления и влагосодержания в гранулированной среде, выражающийся в их быстром начальном изменении под действием интенсивного электромагнитного поля с последующим плавным возвратом к теплофизическим характеристикам окружающей среды, не проявляющийся при анализе по отдельным уравнениям, не учитывающим взаимного влияния электродинамических и теплофизических характеристик.

4. При малых значениях диэлектрических потерь в электродинамических системах волноводного типа, достигаемые величины затягивания частоты магнетронов становятся достаточными для использования этого явления в целях эффективного управления геометрическим положением пучностей возникающей в системе стоячей волны и, соответственно, для увеличения однородности взаимодействия электромагнитного поля с диэлектрическим заполнением в многосекционных электродинамических системах.

5. Широкополосное согласование системы прямоугольных волноводов с общей плоскостью апертуры с возбуждаемой ими прямоугольной многомодовой резонаторной камерой с диэлектрическим заполнением в виде тонкого диссипативного диэлектрического образца зависит, в основном, от расстояния от плоскости апертуры возбуждающих волноводов до диэлектрического образца, и в значительно меньшей степени - от толщины образца и расстояния от него до короткозамыкающей плоскости резонаторной камеры.

Апробация работы и публикации.

Основные результаты работы докладывались на 4й Международной научно-технической конференции

"Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве" (г.Москва, Россия, 12-13 мая 2004); на региональной научно-технической конференции "Развитие технологий радиоэлектроники и телекоммуникаций" (г. Казань, Россия, 22-23 июня 2004г.); на 3й международной научно-технической конференции "Физика и технические приложения волновых процессов" (г. Волгоград, Россия, 6-12 сентября 2004г.), а также на научных семинарах кафедры прикладной физики С ГУ.

По теме диссертации опубликовано 16 печатных работ (6 статей, 7 статей в сборниках трудов конференций, 3 тезисов докладов).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка цитированной литературы. Объем работы составляет 189 страниц, включая 90 рисунков, список литературы состоит из 116 наименований, расположенных на 11 страницах.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цели исследования, научная новизна и практическая значимость диссертационной работы, определены основные задачи исследования и сформулированы положения, выносимые на защиту.

Первая глава посвящена численному решению самосогласованной задачи о распространении электромагнитных волн в диэлектрическом заполнении электродинамической системы и протекающих при этом теплофизических процессах [8,13].

Постановка таких задач обусловлена следующими причинами. Во-первых, распространяющаяся в диэлектрическом слое внутри волновода электромагнитная волна в ряде случаев отражается в конце волновода от короткозамыкающей плоскости и возвращается к источнику излучения. Поэтому для определения нагрузки генератора и анализа его нагрузочных характеристик необходимо знать параметры

распространения волн в этой системе. Во-вторых, выделение энергии в диэлектрическом слое зависит от интенсивности электромагнитной волны в диэлектрике.

В работе рассматривается распространение электромагнитной волны в электродинамической системе с неоднородным диэлектрическим заполнением в виде плоского слоя. Полагается, что волна падает на торцевую стенку слоя и распространяется в нем, затем отражается от противоположной стенки и вновь взаимодействует в слое с диссипативной диэлектрической средой, причем прямая и обратная волны испытывают отражения на неоднородностях и затухание. Энергия в таких электродинамических системах инжектируется, как правило, с обеих сторон, и каждая из распространяющихся волн практически полностью отражается от противоположного края системы. Развязкой генераторов электромагнитных колебаний служит расположенный в электродинамической системе диэлектрик.

При описании электродинамических процессов волна предполагается плоской и квазимонохроматической (с медленно изменяющейся амплитудой), а диэлектрические параметры е' и е" слоя изменяющимися достаточно медленно, что позволяет использовать при решении ВКБ (Вентцеля - Крамерса - Бриллюена) приближение.

Диэлектрический материал в общем случае имеет гранулированную структуру и представляется в виде среды из отдельных макрочастиц одной из трех характерных форм (бесконечных пластин, бесконечных цилиндров, сфер). Предполагается, что каждая частица обменивается теплом и массой только с окружающей средой, но не взаимодействует с другими частицами. Поэтому отличие процессов тепло- и массообмена, протекающих в разных частицах, обусловлено только распределением температурных и электрических полей в окружающей среде. Характерные размеры частиц являются малыми по сравнению с характерными пространственными масштабами таких полей, вследствие чего значения термодинамических характеристик, усредненные по объему гранулы, в масштабах слоя считаются относящимися к координате центра частицы. Диэлектрический материал каждой частицы обладает капиллярно-пористой структурой, т.е. состоит из множества мелких полостей и соединяющих их каналов, которые заполнены, в простейшем случае, жидкостью и паром.

Анализ теплофизических и массообменных процессов в такой гранулированной среде проводится на базе математической модели и программы расчета, основанных на совместном решении уравнений тепло- и массообмена для всех гранул и уравнения распространения в диэлектрическом слое электромагнитного поля.

Теплофизическая часть задачи основывается на уравнениях тепло- и массообмена, полученных А.В.Лыковым:

дУ дх

д2и а!т к а2р

= а -+ а о--н—---.

- "' К р„ д^

дт

с*

ге.,

а2и

щ>г

-На + ^-а.6

а2т

с ■ р д\г сР

сР

¿4

Ф„ 9 и — а„

еф„ _ 9 Т —ат§—г +

-а,А

д-Р

(1) (2) (3)

Здесь Т, Р, и - температура, давление и влагосодержание, г - время, О - удельные тепловые потери электромагнитной волны, остальные коэффициенты (ат, 5, к0, р0, г, Еф,,, с, а, 8р, р, ср и ар) характеризуют термодинамическое состояние макрочастицы.

Граничные и начальные условия записываются следующим образом: в начальный момент времени

ии=и- =' (4)

где инач, Тнач, Рнач некоторые начальные значения соответствующих величин, граничные условия определяются выражениями

аи| ат

сМ

ат

ар

= 0;

5-5,

и до

5=0

= 0;

ар Ъ:

54.

= р(и,

(5)

(6) (7)

5=5.

где

От, Баз, а,, X характеризуют процессы тепло- и массообмена на границе диэлектрик - воздух,

и, и„, Т, Т„, р характеризуют параметры диэлектрика и воздуха вблизи границы раздела,

£=0, - координаты центра и поверхности частицы

(характерный размер макрочастицы), соответственно. С учетом воздействия на диэлектрическую среду электромагнитного излучения система уравнений тепло- и массообмена (1) - (3) с начальными условиями (4) и граничными условиями (5) - (7) решается совместно с уравнением распространения в диэлектрической среде электромагнитного поля

<1г^'Т) + к0 (е'(х, т) - j6"(x, т))Е(х, т) = 0. (8)

ах

Программа моделирования построена на численном интегрировании системы дифференциальных уравнений. На начальном

этапе рассматривается однородный диэлектрический слой, в котором распространяются электромагнитные волны, инжектируемые с обоих краев слоя. Определяется распределение в нем электромагнитного поля и, как следствие, джоулевы потери, выделяющейся в каждой макрочастице. Затем решаются уравнения тепло- и массообмена (1) -(3) и по известным из литературы зависимостям диэлектрических параметров от влажности материала определяются новые значения диэлектрической проницаемости каждой частицы, что, в свою очередь, определяет новое значение е(х)=А(и(х),Т(х)) - распределение диэлектрических параметров в слое. Описанный алгоритм реализуется заданное число раз.

Разработанная на основе этой модели программа расчета позволяет проводить анализ процесса установления трех теплофизических характеристик гранулированной диэлектрической среды - температуры, давления и влагосодержания - под одновременным воздействием двух энергетических потоков различной физической природы (окружающей среды с отличными от диэлектрика теплофизическими характеристиками и электромагнитного поля).

Для оценки влияния каждого из факторов на исследуемые процессы их моделирование сначала проводится в рамках редуцированных моделей, описывающих эволюцию одной из рассматриваемых характеристик при фиксированных значениях двух других.

Время, сск-Ю*

Рис. 1. Установление температуры в макрочастице под воздействием потока горячего воздуха и мощного электромагнитного излучения. Кривая 1 соответствует 2- £/^=1/4, 3 -

^=1/2,4-^0=3/4,5-^=1.

Это позволяет выявить общие закономерности для процессов установления каждой из характеристик. В частности, изменение

времени выхода на промежуточные и стационарные значения температуры (рис.1), давления и влагосодержания практически одинаково зависит от величины характерного размера макрочастицы ¡;0 (время установления примерно пропорционально квадрату изменения величины

Это связано с тем, что движущей силой всех трех типов процессов в подвергаемом энергетическому воздействию слое является исходная разница значений величины, характеризующей рассматриваемый фактор в самой макрочастице и в окружающей среде (потоке теплого воздуха), а площадь, через которую проходят потоки тепла и вещества, пропорциональна

Время установления температуры, влагосодержания и давления в приповерхностных областях макрочастицы существенно меньше, чем в его глубинных областях, и слабо зависит от параметров слоя.

Время выхода характеристик на стационарные значения в различных сечениях по глубине макрочастицы (координата практически одинаково зависит от формы макрочастиц. Наиболее быстро процессы установления стационарных значений всех трех характеристик протекают в макрочастицах сферической формы (в силу максимального отношения площади ограничивающей их поверхности к объему макрочастицы), несколько медленнее - в частицах цилиндрической формы и в 2,5 - 3 раза медленнее - в частицах в форме пластин. Скорости установления всех трех характеристик почти линейно зависят от значений соответствующих коэффициентов передачи (коэффициента температуропроводности, коэффициента диффузии влаги и коэффициента конвективной фильтрационной диффузии).

Вторая глава посвящена анализу процессов изменения теплофизических характеристик - температуры, давления и влагосодержания - с учётом их взаимного влияния друг на друга. Обнаружено, что пренебрежение динамикой давления и влагосодержания приводит к завышению стационарного значения температуры, причем исчезает эффект "запаздывания", когда величина температуры сначала достигает своего максимального значения, а затем снижается, подходя к стационарному значению сверху (рис.2).

Это связано с тем, что при изменении влагосодержания в макрочастицах диэлектрического слоя изменяются диэлектрические характеристики е' и е", т. е. уровень диссипации энергии электромагнитного поля. В результате искажается распределение удельных тепловых потерь, и тепловая нагрузка, обусловленная

воздействием на диэлектрик электромагнитного поля, со временем снижается, что приводит к появлению экстремума на кривой установления температуры.

120

110

100 -

о 90

га

а. >. 80 ■

70 ■

о.

«> 50 -

40 -

30 -

20 -

-тр-3/ 4"----- - : :: Л £5 в ■»

[ -

О 20

<в § 18

о. * 16

X 0>

I- 14

Я 1

О Я 10 15 20 25

Время, сек-10 3

Рис.2. Временные зависимости температуры в слоях макрочастицы на краю диэлектрического слоя под воздействием потока теплого воздуха и электромагнитного поля, рассчитанные по редуцированной модели (-) и по полной модели (---).

При малых значениях температуры окружающего диэлектрический слой воздуха, близких к начальной температуре диэлектрика, и нулевом влагосодержании воздуха в процессе установления параметров слоя наблюдается (рис.3) снижение температуры в отдаленных от поверхности тепло- и массообмена объемах, связанное с интенсивной отдачей влаги этими объемами.

0 2 4 6

Время, сек -104

Рис.3. Изменение температуры различных слоев макрочастицы под воздействием окружающего воздуха.

Не менее интенсивный массообмен происходит и на поверхности слоя, однако при этом температура поверхности слоя стабилизируется за счет взаимодействия с потоком теплого воздуха.

В случае, когда температура окружающего воздуха превышает начальную температуру диэлектрика, в процессе установления параметров слоя наблюдается (рис.4) возрастание влагосодержания в отдаленных от поверхности тепло- и массообмена объемах, обусловленное термодиффузионным потоком влаги, сонаправленным с потоком тепла.

0,356 » 0,354 | 0,352 % 0,35

о 0,348 (в

Ш 0,346 0,344

0 12 3

Время, сек-103

Рис.4. Изменение влагосодержания различных слоев макрочастицы под воздействием окружающего воздуха.

Интересны данные об изменении во времени распределения тепловых нагрузок, обусловленных взаимодействием электромагнитного поля с диэлектрическим слоем (рис. 5).

Рис. 5. Распределение тепловой нагрузки под воздействием электромагнитного поля по ширине диэлектрического слоя в различные моменты времени.

В начале процесса значения диэлектрической проницаемости одинаковы для всех гранул слоя, а амплитуда напряженности электромагнитного поля и, соответственно, уровень тепловых потерь максимальны на краях и убывают к центру слоя. Диэлектрическая

проницаемость является функцией влагосодержания и температуры е(х)=А[и(х),Т(х)), поэтому обезвоживание диэлектрика приводит к уменьшению значения е(х). Этим обусловлено появление неоднородности распределения диэлектрической проницаемости, значения которой на краях слоя (в максимуме поле) убывают быстрее, чем в центре.

На графике С?(х) (рис 5) это выражается в появлении двух локальных максимумов, которые со временем смещаются к центру, а значение С>т,п (в центре слоя) растёт, потому что потери на краях уменьшаются, и в центр слоя проходит больше энергии электромагнитного поля. Через некоторое время значения тепловых потерь для всех гранул слоя выравниваются и принимают значение, соответствующее потерям в сухом диэлектрике.

Полученные данные моделирования согласуются с результатами проведенных в рамках диссертационной работы экспериментальных исследований.

Под действием электромагнитной энергии значения величин £' и е", характеризующих расположенные в электродинамической системе диэлектрические объекты снижаются. А поскольку во многих рассматриваемых задачах они служат развязкой между излучателем и короткозамыкающей плоскостью, то при этом возрастает уровень отраженной на генератор энергии. В предельных случаях магнетронный генератор работает на существенно рассогласованную нагрузку, которая оказывает значительное влияние на его мощность [2,3,7,9] и частоту генерации [4].

При достижении теплофизическими характеристиками среды стационарных значений и полном отражении электромагнитной волны от противоположного магнетрону края электродинамической системы, модуль коэффициента отражения (по мощности) его нагрузки может достигать значения 0,9.

При этом максимальная величина затягивания частоты генерации может составлять (рис.6) до 2^-3% относительно центральной частоты генерации. Проведенные экспериментальные исследования, в рамках которых варьировалась величина потерь в электродинамической системе (между генератором и короткозамыкающей плоскостью), демонстрируют результаты, аналогичные полученным расчетным путем, по методике, представленной в работах И. В. Лебедева, Э. М. Гутцайта и др.

Показано, что при уровне модуля коэффициента отражения нагрузки по мощности |К|=0,7-=-0,8, соответствующих полному отражению от противоположного магнетрону края электродинамической системы и потерям в системе ат=0,8^1,0дБ, величина затягивания частоты достигает при наиболее неблагоприятных фазах коэффициента отражения 2,2%.

Д^МГц

Рис. б. Зависимость максимального затягивания частоты генерации магнетрона от величины диссипации при различных значениях диэлектрической проницаемости

электродинамической системы. Центральная частота -2,45ТТц: ( —) - расчет (1,2 < е< 2,0); (—) - эксперимент.

* Рис.7. Экспериментальная зависимость мощности генерации

магнетрона Р1/Р10 от разности фаз генерируемого и отраженного сигналов, где Рг генерируемая мощность, Р10 -

• мощность генерации в отсутствие отражений.

Для рассмотренных типов волноводных электродинамических систем такое смещение частоты генерации приводит к изменению фазовой длины участка от магнетрона до короткозамыкающей плоскости на несколько длин волн. При прохождении диэлектрических объектов через многосекционную (состоящую из большого количества одинаковых секций) электродинамическую систему с постепенно меняющейся диэлектрической нагрузкой и, соответственно, частотой

генерации инжектирующих в нее энергию магнетронов, происходит смещение от секции к секции пучностей возникающих в них стоячих волн. Это позволяет при соответствующем подборе параметров электродинамической системы, облучаемого диэлектрика и режимов облучения существенно повысить однородность взаимодействия электромагнитного поля с потоком диэлектрических объектов.

Исследовалось также влияние отражений на мощность генерации магнетрона (рис.7). Экспериментально установлено, что при значениях модуля коэффициента отражения по мощности порядка 1111=0,6 возможно снижение мощности генерации на 50%, а при |Я|>0,8 имеют место срывы генерации магнетрона.

В третьей главе проводится теоретическое и экспериментальное исследование электродинамических систем, предназначенных для использования в системах воздействия электромагнитного поля на диэлектрик, положение которого в системе не меняется на протяжении всего цикла воздействия.

Рис.8. Схематическое изображение камеры термического воздействия: 1 -прямоугольный волновод; 2 - область от апертуры до облучаемого диэлектрического слоя (3); 4 -область от диэлектрического слоя до короткозамыкающей плоскости.

Целью исследования является определение эффективности передачи энергии в диссипативный диэлектрический образец в форме плоскопараллельной прямоугольной пластины, помещенной в камеру, имеющую форму параллелепипеда. Подача энергии осуществляется через прямоугольное окно связи (рис.8).

Ранее в работах М. В. Давидовича для решения подобной задачи разработана электродинамическая модель, основанная на решении поверхностных интегральных уравнений, полученных методом сшивания полей, и позволяющая проводить анализ резонансной камеры, возбуждаемой через окно связи, симметрично расположенное в плоскости апертуры. В результате проведенных расчетов показано, что подбором расстояния между диэлектриком и плоскостью апертуры можно обеспечить достаточно широкополосное согласование при существенном изменении (в несколько раз) значений диэлектрической проницаемости (рис. 9).

Ь_V

VI 1

VI \А

Рис. 9. Распределение квадрата модуля напряженности электрического поля на поверхности диэлектрического образца в резонансной электродинамической системе.

Использованный метод позволяет также рассчитывать распределения полей в камере и диэлектрике. Результаты расчета показывают, что при подаче электромагнитной энергии от одного источника распределение поля в камере неравномерное, особенно вблизи стенок. В этой связи было выдвинуто предположение, что улучшение однородности распределения поля может быть обеспечено в камере, в которую энергия инжектируется через четыре симметрично расположенные волновода с произвольными фазами излучения, открывающиеся в стенку камеры и повернутые относительно соседних на 90°.

Для исследования этой системы на основе рассмотренной модели в настоящей работе разработана программа численного расчета, учитывающая несимметричное расположение окна связи и позволяющая провести качественную оценку и выбор конструкции камеры с четырьмя окнами связи.

Предполагалось [1,5,6,11], что источники некогерентны и соотношение фаз излучения в плоскости апертуры от соседних возбуждающих камеру волноводов изменяется во времени произвольным образом, при этом распределение поля, создаваемого при различных соотношениях фаз излучателей, усредняется во времени. Для учета этого явления рассчитываются 64 варианта распределения поля в области диэлектрической пластины при фиксированной фазе излучения одного источника и варьировании фаз трех остальных источников относительно фазы первого излучателя. Затем данные расчета распределения поля во всех вариантах усредняются. Результаты расчета свидетельствуют о возможности

получения неравномерности поля в диэлектрике по всему сечению камеры не более 4дБ.

Экспериментальное исследование подобной камеры подтверждает возможность получения высокой однородности распределения поля (рис.10).

Рис.10 Экспериментальные (- -) и расчетные (-) распределения

поля в диэлектрическом образце квадратного сечения (Хо=у0=а), расположенном параллельно плоскости апертуры: 1 и 2 - распределение по одному из краев образца (у=а), 3 и 4 -по центральному сечению образца (у=а/2).

Полученные экспериментальные результаты свидетельствуют также (рис.11) о реализуемой в таких системах высокой эффективности передачи энергии в камеру (не менее 80% по мощности) в широкой полосе частот (не менее ±5% от центральной

Рис.11 Экспериментальная (---) и расчетная (-) зависимости

модуля коэффициента передачи от частоты электромагнитного излучения.

В заключении приводятся выводы, обобщающие основные полученные в диссертационной работе научные результаты.

Основные результаты и выводы.

1. Анализ влияния различных факторов на динамику протекающих в диэлектрическом слое под воздействием электромагнитной энергии и потока теплого воздуха процессов установления температуры, давления и влагосодержания без учета их взаимного влияния показывает, что:

- время установления стационарных значений температуры, влагосодержания и давления для макрочастиц пропорционально квадрату их характерного размера;

- наиболее быстро значения температуры, влагосодержания и давления устанавливаются в среде с макрочастицами сферической формы, несколько медленнее - с частицами цилиндрической формы и еще медленнее - с частицами в форме пластин;

- время установления значений температуры, давления и влагосодержания практически линейно зависит от таких параметров слоя, как температуропроводность, коэффициент диффузии влаги и относительный коэффициент фильтрационного переноса влаги.

2. Анализ процессов, протекающих в диэлектрическом слое под воздействием электромагнитной энергии и потока теплого воздуха, с учетом взаимного влияния температуры, давления и влагосодержания показывает, что:

- в процессе взаимодействия диэлектрика с электромагнитным излучением области максимальной диссипации энергии перемещаются от краев к центру слоя;

- на начальном этапе процесса происходит снижение температуры внутренних областей слоя, тем более сильное, чем дальше от поверхности находятся эти области. Величина снижения температуры максимальна при равенстве температур диэлектрика и воздуха и в отсутствие электромагнитного излучения;

- в случае, когда температура воздуха превышает температуру диэлектрика и электромагнитное излучение отсутствует, на начальном этапе процесса наблюдается рост величины влагосодержания во внутренних областях макрочастицы. Уменьшение температуры воздуха и увеличение энергии электромагнитного поля снижают проявление этого эффекта.

3. Результаты проведенных экспериментальных исследований и теоретических оценок свидетельствуют, что при значениях модуля коэффициента отражения по мощности от 0,6 и выше, затягивание частоты генерации магнетрона может достигать нескольких процентов.

4. Показана принципиальная возможность использования зависимости величины затягивания частоты магнетрона от фазы коэффициента отражения нагрузки для управления распределением электромагнитного поля в электродинамических системах волноводного типа. В многосекционных электродинамических

системах этот эффект может быть положен в основу существенного повышения однородности взаимодействия электромагнитного поля с облучаемым диэлектриком.

5. Разработана программа для анализа распределения поля в резонаторной камере, возбуждаемой четырьмя одномодовыми волноводами с общей плоскостью апертуры. Анализ эффективности передачи энергии из одномодового прямоугольного волновода в диссипативный диэлектрический образец в форме плоскопараллельной прямоугольной пластины, помещенной в многомодовую резонаторную камеру, имеющую форму параллелепипеда, показал, что в такой электродинамической системе подбором параметров возможно обеспечить эффективность передачи энергии более 80% в полосе частот порядка 5% при изменении величины диэлектрической проницаемости слоя не менее, чем в 6 раз.

Список работ по теме диссертация

1. Давидович М.В., Явчуновский В.В. Электродинамическое моделирование резонаторной камеры СВЧ // Радиотехника и электроника, 2005. Т.50. №10. С. 1252-1258.

2. Баранов B.JI., Четвериков А.П., Шаповалов A.C., Явчуновский В.В. Исследование характеристик магнетронного генератора при высоких уровнях мощности отраженного сигнала // Вопросы прикладной физики: Межвуз. науч. сб. - Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 2000. Вып.б. С. 42 - 50.

3. Четвериков А.П., Шаповалов A.C., Явчуновский В.В. О влиянии отраженного сигнала на мощность генерации в магнетроне // Вопросы прикладной физики: Межвуз. науч. сб. - Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 2001. Вып.7. С. 40 - 44.

4. Явчуновский В.В. Зависимость девиации частоты генерации магнетрона от параметров его СВЧ нагрузки и напряжения питания// Вопросы прикладной физики: Межвуз. науч. сб. -Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 2002. Вып.8. С. 21-27.

5. Давидович М.В., Явчуновский В.В. Электродинамическое моделирование резонаторной камеры СВЧ // Вопросы прикладной физики: Межвуз. науч. сб. - Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 2004. Вып. 10. С. 36-42.

6. Давидович М.В., Явчуновский В.В. Моделирование электромагнитных полей в камере СВЧ нагрева // Вопросы прикладной физики: Межвуз. науч. сб. - Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 2004. Вып. 10. С. 49-54.

7. Chetverikov A.P., Yavchunovsky V.V. Reflected Signal Influence on Efficiency and Power of Oscillations in Magnetron // 6th international conference on actual problems of electronic instrument engineering

proceedings. Матер, конфер. - Novosibirsk: NSTU, 2002. V 1. P. 5963.

8. Chetverikov A.P., Morozov G.A., Yakunin A.N., Yavchunovsky V.V. The modeling of electrodynamics and thermodynamics processes while electromagnetic field and dielectric interaction // 5th international conference on antenna theory and techniques. Матер, конфер. - Kiev: KPI, 2005. P. 491-493.

9. Четвериков А.П., Явчуновский В В. Влияние отраженного сигнала на мощность и КПД генерации магнетрона // 6* международная конференция "Актуальные проблемы электронного приборостроения". Матер, конфер- Новосибирск: НГТУ, 2002. Т.2. С. 97-102.

10. Давидович М. В., Явчуновский В. В. Электродинамическое моделирование прямоугольной камеры, возбуждаемой через щели связи системой параллельно расположенных прямоугольных волноводов // Международная научно-техническая конференция "Актуальные проблемы электронного приборостроения". Матер, конфер. - Саратов: СГТУ, 2004. С. 196-203.

11. Давидович М. В., Явчуновский В. В. Моделирование электромагнитных полей в прямоугольной камере, возбуждаемой через щели связи системой параллельно расположенных прямоугольных волноводов // 7* международная конференция "Актуальные проблемы электронного приборостроения". Матер, конфер-Новосибирск: НГТУ, 2004. Т.2. С. 156-161.

12. Давидович М. В., Явчуновский В. В. Моделирование прямоугольной камеры СВЧ нагрева с четырьмя вводами энергии // Международная научно-техническая конференция "Актуальные проблемы электронного приборостроения". Матер, конфер. -Саратов: СГТУ, 2004. С.231-234.

13. Четвериков А. П., Якунин А. Н., Явчуновский В. В. Теоретическое и экспериментальное исследование тепло- и массообмена при воздействии интенсивного СВЧ излучения на диэлектрический слой // Международная молодежная научная конференция "XII Туполевские чтения". Матер, конфер. - Казань: КГТУ, 2004. Т.4. С.100-101.

Личный вклад автора. Результаты, изложенные в диссертации, получены автором самостоятельно или на равных правах с соавторами. В работах выполненных в соавторстве, автором выведены основные математические соотношения, проведены расчеты по разработанным математическим моделям и программам, выполнена обработка и экспериментальная проверка полученных результатов.

Явчуновский Владимир Викторович

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико - математических наук

01.04.03 - Радиофизика

Лицензия J1P № 020773 от 15 05.98 Подписано к печати 3 05 Об Формат 60x84/16. Бумага "Снегурочка" Гарнитура Times. Уел печ л. 1,16(1,25). Тираж 100 экз. Заказ 375. Редакция журнала "Изв вузов. Прикладная нелинейная динамика" 410012, Саратов, ул Астраханская, 83.

»113 4 7

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата физико-математических наук, Явчуновский, Владимир Викторович

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. Моделирование электродинамических и теплофизических процессов в диссипативном диэлектрическом слое, подвергаемом воздействию микроволнового излучения.

1.1. Введение.

1.2. Моделирование распространения электромагнитных волн в электродинамической системе с неоднородным диэлектрическим заполнением.

1.3. Анализ пространственных и временных изменений диэлектрических параметров в слое, облучаемом электромагнитным полем.

1.4. Исследование взаимодействия электромагнитного излучения с диссипативной диэлектрической средой с учетом процессов тепло- и массообмена в диэлектрическом слое.

1.5. Исследование процессов установления температуры, влагосодержания и давления в диэлектрическом слое без учета их взаимного влияния.

1.5.1. Анализ процесса установления температуры.

1.5.2. Анализ процесса установления влагосодержания.

1.5.3. Анализ процесса установления давления.

1.6. Выводы.

Глава 2. Исследование процессов установления температуры, влагосодержания и давления в диэлектрическом слое, подвергаемом излучению магнетронного генератора с учетом их взаимного влияния.

2.1. Исследование процессов установления термодинамических характеристик без учета воздействия электромагнитного поля.

2.2. Воздействие электромагнитного поля на эволюцию термодинамических характеристик диэлектрической среды.

2.3. Моделирование процессов в диэлектрике, находящемся в нагретой окружающей среде под воздействием электромагнитного поля.

2.4. Экспериментальное исследование влияния отраженного от электродинамической системы сигнала на мощность генерации магнетрона.

2.5. Изучение зависимости величины затягивания частоты магнетрона от параметров нагрузки.

2.6. Выводы.

Глава 3. Моделирование электродинамических структур для систем активного воздействия микроволнового излучения на диссипативную диэлектрическую среду.

3.1. Моделирование систем с параллельным расположением плоскости апертуры излучателей и облучаемого диэлектрического слоя.

3.2. Экспериментальное исследование электродинамических структур с параллельным расположением плоскости апертуры и облучаемого диэлектрического слоя.

3.3. Моделирование электромагнитных полей в многомодовой электродинамической системе, возбуждаемой через продольные щели связи парами встречно направленных волноводов.

3.4. Экспериментальное исследование распределения поля в прямоугольной камере с диэлектрической нагрузкой, возбуждаемой системой волноводов.

3.5. Выводы.

Введение диссертация по физике, на тему "Исследование эффективности взаимодействия микроволнового излучения с гранулированной диэлектрической средой"

Основным предметом настоящей диссертационной работы является исследование факторов, влияющих на эффективность взаимодействия электромагнитного поля СВЧ с диэлектрической средой, изучение особенностей электродинамических и теплофизических процессов, протекающих под воздействием интенсивных электромагнитных полей в гранулированном диэлектрическом материале, находящемся в окружающей среде с иными температурой, давлением и влагосодержанием.

Актуальность работы. Широкое использование в промышленности физических процессов, основанных на взаимодействии с диссипативной диэлектрической средой мощных потоков электромагнитной энергии [1-15] стимулирует проведение научных исследований, направленных на изучение различных аспектов этих процессов [16-26]. Целью исследований является как описание физики явлений, наблюдаемых при воздействии электромагнитного поля на диссипативную диэлектрическую среду, так и поиск способов повышения эффективности и улучшения однородности взаимодействия.

Для решения этих проблем необходимы постановка ряда радиофизических и теплофизических задач, разработка методов расчета и программ численного моделирования для анализа явлений взаимодействия электромагнитного поля с диэлектриком, электрические и теплофизические свойства которого с течением времени изменяются под воздействием поля.

Решению подобных задач посвящено множество работ. К наиболее известным из них относятся работы Ю. С. Архангельского, Н. И. Девяткина [6,27-28], И. Ф. Бородина [7-8], В. А. Коломейцева [5,22], И. А. Рогова [29-32]. Выполненные в этих работах исследования опираются на математические модели тепло- и массообмена, созданные ранее для анализа закономерностей конвективного теплового обезвоживания. В частности, в работах А. В. Лыкова [33-40] были выведены системы уравнений тепло- и массообмена в подвергаемых тепловому воздействию объектах, которые впоследствии [27-32] были дополнены уравнениями распространения электромагнитных волн в диэлектрических средах.

Ограниченные ресурсы вычислительной техники, существовавшей в период выполнения этих исследований, позволяли проводить моделирование только относительно простых систем без учета множества существенных факторов. Так, например, при анализе тепло- и массообменных процессов приходилось пренебрегать [27-32] пространственными распределениями давления нагретой жидкости и пара. При этом рассматривалось воздействие электромагнитного поля на сплошную диэлектрическую среду, в то время как в ряде практически важных случаев среда является гранулированной.

Использование в настоящей диссертационной работе современных средств вычислительной техники обеспечивает возможность одновременного решения уравнения распространения электромагнитного поля в диэлектрической среде и полной системы уравнений тепло- и массообмена [33-45] с учетом соответствующих начальных и граничных условий [1*-3*].

Основной особенностью проведенных в настоящей работе исследований, наряду с самосогласованным решением уравнения распространения электромагнитного поля и системы уравнений тепло- и массообмена, является представление диэлектрического материала как совокупности макрочастиц с задаваемыми формой и размерами. Это позволяет моделировать процессы в упомянутом выше и часто рассматриваемом на практике случае так называемых "гранулированных" (сыпучих) диэлектрических материалов.

Одновременно учитывается взаимодействие диэлектрического слоя с окружающей средой, основные характеристики которой (температура, давление и влагосодержание) в начальный момент времени отличны от соответствующих характеристик диэлектрического слоя.

Следует также отметить, что комплексная диэлектрическая проницаемость заполнения электродинамической системы и обусловленные ею распределенные высокочастотные потери в диэлектрике определяют нагрузку, а соответственно и выходные параметры магнетронов, используемых в таких системах в качестве источников электромагнитного излучения. В работах Дж. Ф Хэлла [46], Д. Коллинза [47], С. И. Бычкова [48], Э. М. Гутцайта [49,50], И.В. Лебедева [51,52], В.И. Петроченкова [53] исследовано влияние отражений от нагрузки на мощность и частоту генерации магнетрона, в т. ч., с учетом эффекта длинной линии. В продолжение исследований этих авторов в диссертационной работе ставилась задача установления взаимосвязи между параметрами облучаемого диэлектрика, геометрическими размерами электродинамической системы и величинами затягивания частоты и мощности генерации магнетрона.

Отметим, что задачи распространения электромагнитных волн в диэлектрических средах ранее решались для используемых в тот период времени электродинамических систем [27-32]. Появление новых типов электродинамических систем [54-58], в том числе таких, в которых электромагнитная энергия распространяется в виде встречных бегущих волн [16,57,58], приводит к необходимости постановки радиофизической задачи, в рамках которой требуется учесть особенности распространения электромагнитных волн в электродинамических структурах с частичным диэлектрическим заполнением, свойства которого изменяются во времени под действием интенсивных электромагнитных полей.

Развитые в работах Ю. Швингера, А. С. Ильинского и др. [59-80] методы анализа сложных электродинамических структур, в том числе методы поверхностных интегральных уравнений [65,67,73-76,78-80], позволяют решать как задачи определения эффективности передачи электромагнитной энергии из подводящего волновода в резонаторную камеру, так и задачи анализа распределения поля в резонаторных камерах. Однако для исследования рассматриваемых в настоящей работе электродинамических систем (прямоугольной резонансной камеры, возбуждаемой системой прямоугольных волноводов с общей плоскостью апертуры, и прямоугольной камеры, возбуждаемой системой включенных во встречных направлениях волноводов), представляется необходимым уточнить разработанные ранее [65] модели для обеспечения возможности анализа распределения поля от нескольких возбуждающих электродинамическую систему волноводов.

Все это обусловливает актуальность темы диссертации и проводимых исследований.

Целью диссертационной работы является исследование эффективности взаимодействия интенсивного электромагнитного поля СВЧ с расположенной в электродинамической системе гранулированной диэлектрической средой, а также исследование изменения теплофизических характеристик диэлектрика под воздействием электромагнитного поля.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решаются следующие основные задачи:

- моделирование электродинамических и теплофизических процессов в гранулированной диэлектрической среде, подвергаемой воздействию электромагнитных полей внутри электродинамической системы; анализ распределения электромагнитных полей, возбуждаемых в прямоугольной камере системой волноводов с общей плоскостью апертуры.

Методы исследований и достоверность полученных результатов.

Решение поставленных в диссертационной работе задач проводится, в основном, методами численного моделирования с аналитической обработкой результатов. Достоверность полученных выводов подтверждается сопоставлением результатов расчетов, численного моделирования и данных физических экспериментов, как известных из литературных источников, так и выполненных автором диссертации.

Научная новизна результатов работы заключается в том, что:

- впервые предложена математическая модель взаимодействия интенсивного электромагнитного излучения СВЧ с гранулированной диэлектрической средой, учитывающая влияние пространственного распределения давления жидкости и пара в диэлектрике на остальные его характеристики; рассчитаны функции, характеризующие изменение во времени пространственной неоднородности свойств диэлектрических объектов, обусловленной взаимодействием материала с интенсивным электромагнитным полем и окружающей средой; определены закономерности эволюции под воздействием электромагнитного поля комплексной диэлектрической проницаемости, а также температуры, давления и влагосодержания в гранулированном диэлектрическом материале;

- проведено экспериментальное исследование и получена приближенная оценка влияния процессов в нагрузке магнетронного генератора электродинамической системе с диэлектрическим заполнением - на частоту и мощность генерации магнетрона в режимах, близких к полному отражению от нагрузки (|R| 0,8);

Отдельные результаты диссертационной работы уже нашли практическое применение [11*,13*]. В частности, они были использованы при проектировании установок для термообработки пищевой продукции стационарного типа на базе прямоугольной резонаторной камеры, возбуждаемой четырьмя источниками излучения с общей плоскостью апертуры, а также конвейерных установок микроволновой сушки различных пищевых продуктов.

Основные результаты и положения, выносимые на защиту:

Заключение диссертации по теме "Радиофизика"

3.5. Выводы.

1. В настоящей главе представлены результаты численного моделирования и экспериментального исследования двух типов электродинамических структур с диэлектрическим заполнением:

- прямоугольной камеры, возбуждаемой системой прямоугольных волноводов с общей плоскостью апертуры;

- многомодовой прямоугольной камеры, возбуждаемой системой включенных во встречных направлениях одномодовых волноводов, связанных с рабочей камерой через длинные щели переменного сечения.

Получены результаты, подтверждающие возможность обеспечения хорошей эффективности передачи энергии и высокой равномерности распределения электромагнитного поля в исследованных электродинамических системах.

2. Разработана программа анализа, с помощью которой решается задача о связи прямоугольного волновода с прямоугольной резонаторной камерой, содержащей диссипативный диэлектрический слой, в том числе в случае г несимметричного расположения окна связи относительно совпадающей с плоскостью апертуры стенки рабочей камеры. Учитывается также возможность введения диссипации в диэлектрике с дисперсией (е'(со)) и проводимостью о(со) и более точно учитывается диссипация в боковых стенках камеры.

3. Численное моделирование прямоугольной камеры с малым диэлектрическим заполнением, возбуждаемой через симметрично расположенный прямоугольный волновод, показывает, что основным параметром, влияющим на качество согласования волновода с камерой, является расстояние hi от плоскости апертуры до расположенного в камере и облучаемого электромагнитным полем диэлектрического слоя. При соответствующем выборе этого размера влияние на уровень согласование расстояния Ьз от облучаемого диэлектрического слоя до короткозамыкающей плоскости минимально в широком диапазоне изменений размера Ьз. Из проведенного анализа следует, что в такой электродинамической системе возможно достижение согласования по уровню модуля коэффициента отражения |R| 0,3. При этом в полосе частот порядка 5% реализуется эффективность передачи энергии более 90%, причем высокое качество согласования обеспечивается при изменении величины диэлектрической проницаемости тонкого (по сравнению с продольными размерами камеры) слоя не менее, чем в 6 раз.

4. Представлены результаты моделирования электродинамической камеры, возбуждаемой четырьмя магнетронными источниками через четыре волновода. Результаты моделирования свидетельствуют о возможности получения высокой однородности распределения электромагнитного поля в ближней к плоскости апертуры зоне (с перепадом значений амплитуды поля не более 4 дБ). Наилучшие результаты по однородности распределения поля при сложении четырех сигналов от некогерентных источников излучения получены при повороте каждой пары возбуждающих электродинамическую камеру волноводов на 90°. Экспериментальная проверка результатов моделирования прямоугольной камеры, возбуждаемой системой прямоугольных волноводов с общей плоскостью апертуры, показала максимальное расхождение полученных теоретически и экспериментально значений эффективности передачи энергии не более 8%.

5. Выполнено моделирование электродинамической камеры в форме прямоугольного параллелепипеда с диэлектрическим заполнением в виде плоской прямоугольной пластины, параллельной верхней и нижней стенкам камеры. Камера возбуждается несколькими источниками электромагнитного поля через прямоугольные волноводы, расположенные на верхней и/или нижней стенках камеры, и систему длинных продольных щелей связи, параллельных осям возбуждающих камеру волноводов.

Показана возможность получения равномерного распределения в ближней зоне излученной в полупространство энергии при длине щели, на порядок превышающей длину волны. Рассмотрены как однородные волноводы с неоднородной щелью, так и однородная по длине щель при изменяющейся низкой стенке. Установлено, что щель может быть прорезана как в узкой, так и в широкой стенке волновода, но в последнем случае для обеспечения ф приемлемого уровня согласования она должна быть смещена от его оси.

Показано, что выбором закона изменения ширины щели щелевых излучателей в совокупности с подбором закона изменения высоты возбуждающих камеру волноводов удается осуществить эффективный (с коэффициентом передачи не ниже 90%) ввод энергии в электродинамическую камеру и обеспечить высокую равномерность распределения в ней электромагнитного поля по поперечному сечению (с изрезанностью по амплитуде поля не более 4,5 дБ).

6. Экспериментальное изучение полей в многомодовой прямоугольной камере, возбуждаемой системой включенных во встречных направлениях одномодовых волноводов, связанных с ней через протяженные продольные щели переменного сечения, демонстрирует максимальное расхождение полученных теоретически и определенных экспериментально распределений интенсивности ф электромагнитных полей на уровне не более 10%.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе проведен анализ распространения электромагнитных полей в электродинамических системах с частичным диэлектрическим заполнением с учетом теплофизических процессов, возникающих в диэлектрике под воздействием электромагнитных полей. Предметом являлся процесс установления основных параметров режима -температуры, влагосодержания и давления - в расположенном в электродинамической системе диэлектрическом слое при одновременном воздействии на него мощного электромагнитного излучения и потока нагретого воздуха.

В результате проведенных исследований предложена математическая модель, описывающая распространение электромагнитных волн в гранулированном диэлектрическом слое, характеристики которого изменяются под их воздействием в результате протекающих в нем электродинамических и тепло- и массообменных процессов. Она включает уравнение распространения электромагнитного поля в диэлектрической среде и три уравнения тепло- и массообмена с граничными и начальными условиями.

На основе предложенной математической модели проведен анализ процессов в диэлектрическом слое при одновременном воздействии на него мощного электромагнитного излучения и потока нагретого воздуха, изучена динамика пространственной неоднородности свойств диэлектрических объектов, подвергаемых комбинированному воздействию двух энергетических потоков различной физической природы.

Выполнено экспериментальное исследование влияния высокого уровня отражений на мощность и частоту генерации магнетронов, которое имеет место из-за значительного изменения диэлектрических параметров расположенных в электродинамической системе гранул диэлектрика под воздействием окружающей среды интенсивного электромагнитного излучения, что приводит к изменению в широком диапазоне параметров нагрузки излучающих электромагнитную энергию магнетронных генераторов. Получены экспериментальные данные, подтверждающие значительное снижение мощности (вплоть до срыва генерации) и значительное (до нескольких процентов) затягивание частоты генерации магнетрона в таких режимах.

Данные эксперимента проверены с помощью приближенной теоретической оценки, подтвердившей основные выявленные закономерности. Показана принципиальная возможность использования этого явления для управления местоположением пучностей возникающих в волноводной электродинамической системе стоячих волн и, в конечном счете - для повышения эффективности и однородности взаимодействия в многосекционных волноводных электродинамических системах.

Проведено моделирование двух различных типов электродинамических систем для оборудования термического воздействия электромагнитного излучения на диэлектрические объекты: многомодовой электродинамической системы проходного типа с диэлектрическим заполнением, возбуждаемой через совокупность параллельно расположенных протяженных щелей связи парами встречно направленных одномодовых волноводов, и резонансной камеры, возбуждаемой системой излучателей с общей плоскостью апертуры. Найдены решения, обеспечивающие наибольшую эффективность передачи энергии.

Список источников диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Явчуновский, Владимир Викторович, Саратов

1. Девятков Н.Д., Зусмановский А.С., Цейтлин A.M. Применение СВЧ -электронных приборов и квантовых генераторов в народном хозяйстве: Обзор //Электронная техника. Сер. Электроника СВЧ.1967. Вып.11. С.3-15.

2. Пюшнер Г. Нагрев энергией сверхвысоких частот. М.: Энергия, 1968.-311с.

3. СВЧ энергетика/ Под ред. Э. Окресса, Э. Д. Шлиффера. В 3-х т. - М.: Мир, 1971, т. 1 - 264, т.2 - 272, т.З - 248.

4. Freedman G. The future of microwave power in industrial applications //J. microwave Power. 1972. Vol.7, №4, p.353-365.

5. Коломейцев В. А., Комаров В. В. Микроволновые системы с равномерным объемным нагревом. Саратов: СГТУ, 1997. - 160с.

6. Архангельский Ю. С. СВЧ электротермия. Саратов: СГТУ, 1998. - 408с.

7. Бородин И. Ф. Анализ использования СВЧ энергии в агропромышленном комплексе// Использования СВЧ - энергии в сельскохозяйственном производстве/ ВНИПТИМЭСХ. Зерноград, 1989.

8. Бородин И. Ф. Применение СВЧ энергии в технологических процессах сельскохозяйственного производства // Применение СВЧ - энергии в технологических процессах и научных исследованиях/ Сарат. политех, ин-т. Саратов, 1991.

9. Пахомов В. И. Использование СВЧ энергии в технологических процессах с тепловой обработкой сельскохозяйственной продукции//Применение СВЧ -энергии в технологических процессах и научных исследованиях/ Сарат. политех, ин-т. Саратов, 1991.

10. Комаров В. И., Молохов М. Н., Садковская О. Д. и др. Сушка сельскохозяйственных продуктов в промышленных СВЧ установках // Применение СВЧ - энергии в технологических процессах и научных исследованиях/ Сарат. политех, ин-т. Саратов, 1991.

11. Staney Е. Microwave Vacuum drying. / Food Eng. 1979. - v. 51.

12. Байбурин В.Б., Перовский Э.В., Терентьев А.А., Лунева И.О., Шуб Г.М. СВЧ -стерилизация порошковых материалов// "Электродинамическиефункциональные системы и элементы, волноводные линии". Межвуз. Науч. Сб. -Саратов, 1996. С. 8-11.

13. Байбурин В.Б., Терентьев А.А., Максименко Б. Н. Перовский Э.В., Михайлин А.Ю. СВЧ резонатор для сушки бумаги//"Технологические СВЧ установки, функциональные электродинамические устройства". Межвуз. Науч. Сб. - Саратов, 1998. - С.9-10.

14. Сатаров И. К. Расчет СВЧ сушилок волноводного типа с полем бегущей волны// Вопросы электронной техники: Науч. тр. кафедры электроники и лаборатории электронной техники / Сарат. политех, ин-т. Саратов, 1975.

15. Пантюхин Я. В., Заволжский М. В. Теоретические вопросы моделирования влияния ЭМП СВЧ на движение, тепло- и массообмен в сплошных средах // Использования СВЧ энергии в сельскохозяйственном производстве / ВНИПТИМЭСХ. Зерноград, 1989.

16. Шишмило Т. Н. Оптимизация рабочей камеры для сверхвысокочастотной сушки объемных диэлектриков в периодическом режиме// Волноводные линии, системы и элементы/ Сарат. политех, ин-т. Саратов, 1991.

17. Шарков Г. А., Тимошенко А. Н. Рудобашта С. П. и др. Математическая модель СВЧ нагрева сельскохозяйственных материалов с учетом испарения влаги // Использования СВЧ - энергии в сельскохозяйственном производстве / ВНИПТИМЭСХ. Зерноград, 1989.

18. Изаков Ф. Я. Направления и результаты исследований по использованию СВЧ энергии в сельскохозяйственном производстве // Использования СВЧ -энергии в сельскохозяйственном производстве/ ВНИПТИМЭСХ. Зерноград, 1989.

19. Байбурин В.Б., Усанов Д. А., Максименко Б. Н. Перовский Э.В., Терентьев А.А., Михайлова В.В. Влияние плазменной обработки люминофора на его светотехнические параметры // Письма в ЖТФ 1996. - Т.22, Вып. 14. - С.58-59.

20. Коломейцев В. А. Взаимодействие электронных волн с поглощающими средами и специальные СВЧ системы равномерного нагрева. Дис.докт. техн. наук. СГТУ, 1999.-439с.

21. Нетушил А.В. и др. Высокочастотный нагрев диэлектриков и полупроводников. М. - Д.: Госэнергоиздат, 1959.

22. Колесников Е. В. Расчет СВЧ сушилки с совмещенными зонами нагрева и сушки// Волноводные линии, системы и элементы/ Сарат. политех, ин-т. Саратов, 1991.

23. Архангельский Ю.С., Девяткин И.И. Сверхвысокочастотные установки для интенсификации технологических процессов. Саратов: Изд-во Саратовскогоф университета, 1983. 140с.

24. Рогов И.А. Сверхвысокочастотный нагрев пищевых продуктов. М.: Агропромиздат, 1986, 94с.

25. Рогов И.А. Электрофизические методы обработки пищевых продуктов. -М.: Агропромиздат, 1978.

26. Рогов И.А., Некрутман С.В. Сверхвысокочастотный и инфракрасный нагрев пищевых продуктов. М.: Пищевая промышленность, 1976.

27. Рогов И.А., Горбатов А.В. Физические методы обработки пищевыхпродуктов.-М.: Пищевая промышленность, 1974.

28. Лыков А.В. Теплопроводность и диффузия. М.: Гизлегпром, 1941.

29. Лыков А.В. Явления переноса в капиллярно-пористых телах.-М.-Л., Гостехиздат, 1954.

30. Лыков А.В. Тепло- и массообмен в процессах сушки. М. - Л.: Госэнергоиздат, 1956.

31. Лыков А.В. Тепло- и массообмен в процессах испарения. ИФЖ, 1962, # №11, с. 12-24.

32. Лыков А.В. Теория теплопроводности. М.: Высшая школа, 1967.

33. Лыков А.В., Васильева Г.В. Исследование тепло- и массообмена при испарении жидкости из капиллярно-пористого тела. ИФЖ, 1968, т.14, №3, с. 395-406.

34. Лыков А.В. Теория сушки. М.: Энергия, 1969.

35. Лыков А.В. Некоторые аналитические методы решения задач нестационарной теплопроводности. Методы решения нелинейных уравнений нестационарной теплопроводности. Изв. АН СССР. Энергетика и транспорт, 1969, №2, с.3-27; 1970, №5, с.109-150.

36. Гинсбург А. С. Сушка пищевых продуктов. М.: Пищепромиздат, 1960.

37. Гинсбург А. С., Резчиков В. А. Сушка пищевых продуктов. М.: Пищепромиздат, 1966.

38. Гинсбург А. С. Основы теории и техники сушки пищевых продуктов в кипящем слое. М.: Пищевая промышленность, 1973.

39. Филоненко Г. К. Сушка пищевых растительных материалов. М.: Пищевая промышленность, 1971.

40. Смольский Б. М. Внешний тепло- и массообмен в процессе конвективной сушки. Минск: Изд-во Белгорун-та им В. И. Ленина, 1957.

41. Хэлл Дж. Ф. Электронное воздействие в приборах со скрещенными полями, работающих в режиме ограничения луча пространственным зарядом. в кн.: Окресс Э. Электронные приборы со скрещенными полями. М.: Ин. Лит., 1961. -Т.1, с.506-517.

42. Коллинз Д. Магнетроны сантиметрового диапазона. М.: Сов. радио, 4.1, 1950. 420с., 4.2, 1951 - 472 с.

43. Бычков С.И. Вопросы теоретического и практического применения приборов магнетронного типа. М.: Сов.радио,1967.

44. Гутцайт Э.М., Жидков Р.А. Нагрузочные характеристики многорезонатор-ных магнетронов// Радиотехника и электроника, 1999, т. 44, №5, с. 629-638.

45. Гутцайт Э.М. Анализ стационарных режимов генерации и усиления в магнетронах и рекомендации по усовершенствованию функциональных узлов приборов М-типа. Автореф. дис. на соиск. учен, степени докт. техн. наук, Москва, 1999.

46. Лебедев И.В., под ред. Девяткова Н.Д. Техника и приборы сверхвысоких частот. Изд. 2-е. Техника СВЧ, т.1. Изд-во «Высшая школа», 1970.

47. Лебедев И.В., под ред. Девяткова Н.Д. Техника и приборы сверхвысоких частот. Изд. 2-е. Техника СВЧ, т.2. Изд-во «Высшая школа», 1972.

48. Петроченков В. И. Влияние отражений на фазочастотные и амплитудночастотные характеристики магнетронного усилителя. Электронная техника. Сер. Электроника СВЧ.1968, вып.4. С.18-38.

49. Заргано Г.Ф., Jlepep A.M., Ляпин В.П., Синявский Г.П. Линии передачи сложных сечений. Изд-во Ростовского ун-та, 1983.- 320 с.

50. Волноводы сложных сечений /Ляпин В.П., Михалевский B.C., Синельников Ю.М. и др.- М.: Радио и связь, 1986.- 124 с.

51. Коломейцев В. А., Яковлев В. В. Диапазонные свойства установок СВЧ нагрева термопараметрических материалов на волноводах сложных сечений//Радиотехника. 1991. № 12. С 66-69.

52. Пат. 2055447 Россия, МКИ 6Н05В6/64. Установка для СВЧ обработки диэлектрических материалов/ Сучков С. Г., Миркин В. И., Уполовнев А. В. и др. (Россия); № 5016898/09; Опубл. 27.02.96.

53. Пат. 2084084 Россия, МКИ 6Н05В6/64. Установка для СВЧ обработки диэлектрических материалов/ Малярчук В. А., Миркин В. И., Сучков С. Г. И др.(Россия); № 94027974/49; Опубл. 10.07.97.

54. Неганов В.А. Применение преобразования Швингера для расчета собственных волн экранированной щелевой линии//Радиотехника и электроника.- 1985.- Т. 30, N 7.- С. 1296-1299.

55. Иларионов Ю.А., Раевский С.В., Сморгонский В.Я. Расчет гофрированных и частично заполненных волноводов. -М: Сов. радио, 1980. 200 с.

56. Yao H.W., Zaki К.A., Atia А.Е., Herstig R. Full-wave modeling of coating post in rectangular waveguides and its applications to slot coupled combline filters//IEEE Trans.- 1995.- Vol. MTT-43, No. 12.- P. 2824-2830.

57. Xiang Z., Lu Y. An effective wavelet matrix transform approach for efficient solutions of electromagnetic integral equations//IEEE Trans.- 1997. Vol. AP- 30, No. 8-P. 1205-1213.

58. Ильинский A.C., Кравцов B.B., Свешников А.Г. Математические модели электродинамики,- М.: Высшая школа, 1991.- 224 с.

59. Никольский В.В. Никольская Т.И. Новые методы и результаты математического моделирования электродинамических структур// Автоматизированное проектирование устройств СВЧ.: Межвуз. науч. сб./Под ред. В.В.Никольского.- М.: МИРЭА,1985.- С. 4-24.

60. Давидович М. В., Алексеев О. Ю. Волноводные зондовые структуры для тестирования многослойных сред// Радиотехника и электроника, 2004, №6, с. 665-670.

61. Автоматизированное проектирование устройств СВЧ/ Под ред.

62. B.В.Никольского. М.: Радио и связь, 1982. 272 с.

63. Швингер Ю. Неоднородности в волноводах //Зарубежная радиоэлектроника. 1970. №3. С. 3.

64. Вольман В. И., Каток В. Б. Волноводы, обладающие широкой полосой одномодового режима//Радиотехника и электроника. 1978. №2. С.285 -290.

65. Mazumder G. G., Saha Р. К. Rectangular waveguide with T-shaped septa // IEEE Trans. 1987. Vol. MTT-35. No. 2. P. 201-204.

66. Комаров В. В. Исследование электродинамических и тепловых характеристик волноводов сложной формы поперечного сечения, частично заполненных поглощающим материалом: Дисс. на соиск. учен. степ, к.ф.-м.н,/ СГУ. Саратов, 1994.-189с.

67. Ларцев Н. К. и др. Возбуждение П-волновода коаксиальной линией// Электронная техника. Сер. Электроника СВЧ. 1977 №6.С.113-115.

68. Коломейцев В. А., Яковлев В. В. Синтез прямоугольного волновода с Т-ребром//Изв. ВУЗов. Сер. Радиоэлектроника. 1983. Т.26. № 1. С. 85-87.

69. Заргано Г. Ф. и др. Волноводы сложных сечений. М.: Радио и связь. 1986. -124с.

70. Алексеев Ю. В., Титенский М. Н. Шнейдер М. Е. Влияние ассиметрии центрального П-выступа волновода на его электрические параметры // Функциональные электродинамические системы и элементы. Саратов, 1988.1. C. 77.

71. Davidovich M.V., Meschanov V.P., Popova N.F.// Proceedings of 9-th International Crimean Microwave Conference CriMiKo'99. Sevastopol, Crimea, Ukraine: Weber Co., 1999. P. 362.

72. Чепурных И. П., Яковлев В. В. О влиянии диэлектрических потерь на собственные параметры прямоугольного волновода с Т-ребром, частично заполненного диэлектриком // Электронная техника. Сер. Электроника СВЧ. 1983. Вып.7.С.37-41.

73. Гольдштейн Л.Д., Зернов Н.В. Электромагнитные волны. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Сов. радио, 1971. 664 с.

74. Давидович М.В. Синтез равномерно излучающей продольной щели в прямоугольном волноводе // Радиотехника.- 1996.- 1 8.- С. 22-24.

75. Davidovich M.V., Meschanov V.P. Synthesis of configuration of uniformly radiating longitudinal slots in the rectangular waveguides // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques.- 1998.- Vol. MTT-46.- No. 2.- P. 188-191.

76. Давидович М.В., Мещанов В.П. Анализ щелевых волноводных излучателей с высокой равномерностью поля в ближней зоне // Электродинамика и техника СВЧ и КВЧ.- 1996.- Вып. 2(14).- С. 84.

77. Рабинович М. И., Трубецков Д. И. Введение в теорию колебаний и волн. М., Наука, 1984 432 с.

78. Davidovich M.V., Meschanov V.P. Synthesis of configuration of uniformly radiating longitudinal slots in the rectangular waveguides // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques.- 1998.- Vol. MTT-46.- No. 2.- P. 188-191.

79. Силин P. A. , Чепурных И. П. Характеристики желобкового волновода// Электронная техника.Сер.1. Электроника СВЧ. 1983.Вып. 1

80. Расчет критических чисел Н-волн в одно- и двухжелобковых волноводах // И. С. Нефедов, С. Г. Сучков, А. В. Уполовнев, А. М. Шварман // Электронная техника. Сер.6. Управление качеством, стандартизация, метрология, испытания. 1990.Вып.1 (138).

81. Калинин В.И., Герштейн Г.М. Введение в радиофизику. М: ГИТЛ, 1957, 660с

82. Явчуновский В. Я. Микроволновая и комбинированная сушка: физические основы, технологии и оборудование. Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 1999.- 217 с.

83. Torgovnikov G.I. Dielectric properties of wood and wood-based materials. Spriger-Verlag Publishing; N.Y., 1993, 196p.

84. Брандт А.А. Исследование диэлектриков на сверхвысоких частотах. М.: Гос. изд-во физ.-мат. литературы, 1963. - 403 с.

85. Чудновский А.Ф. Теплофизические характеристики дисперсных материалов. М.; Физматгиз, 1962.

86. Васильева Г.В. Исследование процессов тепло- и массообмена при испарении жидкостей в ламинарный пограничный слой из капиллярно-пористого тела при наличии зоны заглубления. Автореф. дис. на соиск. учен, степени канд. техн. наук, Минск, 1969(ИТМО).

87. Митчелл Э., Уэйт Р. Метод конечных элементов для уравнений с частными производными. М.: Мир, 1981. - 216 с.

88. JI. Сегерлинд Применение метода конечных элементов. М.: Мир, 1979, 392с.

89. Магнетроны сантиметрового диапазона (перевод с англ. под ред Зусмановского С.А.). Изд-во «Советское радио», 4.1, 1950, 417с.

90. Магнетроны сантиметрового диапазона (перевод с англ. под ред Зусмановского С.А.). Изд-во «Советское радио», 4.2, 1951,472с.

91. Основы использования магнетронов: Сборник: под ред. Ю.Н. Хлопова. М.: Сов. радио, 1967,357с.

92. Байбурин В. Б. Влияние пространственного заряда на вид динамических характеристик многорезонаторного магнетрона. Электронная техника. Сер. Электроника СВЧ, 1972, вып. 9, с.128 -130.

93. Ширшин С. И., Байбурин В. Б. Анализ и моделирование динамического режима многорезонаторного магнетрона. Радиотехника и электроника, 1985, т. 30, №3, с. 577-586.

94. Байбурин В. Б. Трехмерное решение задачи о потенциале электронных сгустков в скрещенных полях. Радиотехника и электроника, 1984, т. 29, №4, с. 751-756.

95. Фурсаев М. А К использованию диаграммы фазовой фокусировки для анализа работы приборов магнетронного типа. Вопросы радиоэлектроники. Сер. Электроника, 1965, вып. 4, с.30-42.

96. Цейтлин М. Б., Фурсаев М. А., Бецкий О. В. Сверхвысокочастотные усилители со скрещенными полями. Под. Ред. Цейтлина М. Б. М. Сов. Радио, 1978, 263 с.

97. Байбурин В. Б., Терентьев А. А., Поваров А. Б., Гаврилов М. В. Адиабатическая трехмерная модель магнетрона // В сб.: "Функциональные электродинамические системы и устройства, линии передач СВЧ". Межвуз. науч. сб. Саратов, 1999, с.8-13.

98. Байбурин В. Б., Терентьев А. А., Пластун С. Б. Многопериодная численная модель магнетронного генератора на основе крупных частиц // Радиотехника и электроника, 1996, т. 41, №2, с. 130- 135.

99. Шлифер Э. Д. Расчет многорезонаторных магнетронов (2-е изд.). М.: МЭИ, 1966.-143с.

100. Шлифер Э. Д. Расчет и проектирование коаксиальных и обращенно-коаксиальных магнетронов. -М.: МЭИ, 1991. 169с.

101. Вайнштейн JI.A., Солнцев В.А. Лекции по сверхвысокочастотной электронике. М: Сов.радио, 1973, 400с.

102. Альтман Дж. JL, Устройства сверхвысоких частот (перевод с англ. под ред. Лебедева И.В.), изд. "Мир", 1968.

103. Бербасов В. А., Кузнецов М. И., Нечаев В. Е. Исследование флуктуаций в магнетроне. I. Амплитудные флуктуации. Известия вузов. Радиофизика, 1960, т.111. №1, с. 102- 109.

104. Бербасов В.А., Кузнецов М.И., Нечаев В.Е. Исследование флуктуаций в магнетроне. II. Флуктуации азимутального тока. Известия вузов. Радиофизика, 1960, т.Ш, №2, с.290 298.

105. Тишер С. Техника измерений на сверхвысоких частотах (Справочное руководство). Под ред. В. Н. Сретенского. М., Физматгиз.- 1963,- с.368

106. Вайнштейн Л. А. Открытые резонаторы и открытые волноводы. М., "Сов. радио", 1966, 420с.

107. Никольский В. В. Электродинамика и распространение волн. Учебное пособие. М., изд-во "Наука", 1973, 608с.

108. Семенов Н. А. Техническая электродинамика. Учебное пособие для вузов. М., "Связь", 1973,480с.

109. Никольский В. В. Вариационные методы для внутренних задач электродинамики. М., изд-во "Наука", 1967, 458с.