学位论文 > 优秀研究生学位论文题录展示

微波冶金加热过程动态仿真及优化设计

作　者: 孙俊
导　师: 彭金辉
学　校: 昆明理工大学
专　业: 有色金属冶金
关键词: 微波加热 异质材料 动态仿真 优化设计 超材料传感器
分类号: TF19
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
下　载: 19次
引　用: 0次
阅　读: 论文下载
 

内容摘要


微波加热作为一种新兴的绿色冶金方法,因其具有传统加热方式无法比拟的优势被广泛应用于冶金过程中的多个领域。然而,微波对冶金物料的作用机理尚不十分明确,尤其缺乏对微波加热过程的动态仿真和优化设计的系统研究,限制了微波冶金技术在更大范围内的推广应用。本文结合麦克斯韦方程、传热方程、连续性方程、以及运动方程对微波加热的动态过程进行了多物理场耦合仿真,研究了与该过程密切相关的异质材料等效电磁特性,提出了有利于提高能量利用效率的微波反应腔的优化设计方法。同时还设计了基于回音壁模式的超材料传感器,并进一步探讨了它在冶金过程中的潜在应用。(1)针对以往准静态条件下对异质材料等效介电常数的研究不能揭示其显微结构与微波相互作用的机理,建立了微波场与两相无耗异质材料相互作用的仿真模型,通过有限元方法和散射参数反演算法得到了材料随频率变化的等效介电常数。结果表明材料的微观结构变化会对其宏观电磁特性造成影响,并发现了无耗异质材料表现出的宏观介电损耗现象。(2)对于可用于描述由金属-绝缘体构成的两相异质材料等效电磁特性的三维R-C网络模型,在使用中存在计算量大、耗时长的问题,提出了有效求解该模型的一种并行算法。结果表明,该算法的加速比和并行效率随网络规模的增大以及元件数的增多而提高。同时,为了便于用户操作和使用,开发了基于该算法的仿真软件。(3)从动态的角度看微波加热主要是物质与物质之间以及物质与微波之间的相互作用,该作用随着物质微观特性、微波频率、温度、加热时间以及微波场强等因素的变化而发生改变,是一个复杂的非线性、多学科交叉问题。基于此特点,通过耦合多个物理场,系统地仿真了微波对不同材料的动态加热过程,发现了异质材料不同的显微结构所表现出的巨大宏观电磁特性差异。(4)微波反应腔是电磁波与物质相互作用的场所,设计的合理性直接关系到加热效果和能量的利用效率。如何减小馈口功率反射,提高负载对能量的吸收是微波反应腔优化设计的重点和难点。通过分析微波反应腔空载时的本征模式,指出利用空腔模式进行微波反应腔设计的不合理性,并提出了基于遗传算法的馈口反射功率优化方法。该方法可最大限度地降低多馈口之间的耦合,把96%以上的能量馈给被加热负载,有利于能量的有效利用和降低微波反应腔的设计成本,延长微波源的使用寿命。(5)回音壁模式谐振腔传感器具有极高品质因子、模式体积小、响应速度快、抗干扰能力强等优点。超材料是一种人工结构的复合材料,可以呈现出天然材料所不具有的超常物理特性。基于两者的优点,设计了一种具有外部回音壁模式的新型传感器,使电磁波与被检测物质的相互作用更强,比常规谐振腔传感器具有更高灵敏度和分辨率。可用于精密检测和传感领域,如检测生物组织是否癌变,食物是否变质,化学反应的进程,冶金物料中的水分含量以及随温度变化的材料特性等。本论文的研究成果对冶金物料的处理、微波反应器的优化设计具有指导意义。

全文目录


摘要  5-6
Abstract  6-11
第一章 绪论  11-21
  1.1 微波加热的特点及在冶金中的应用  11-14
    1.1.1 微波加热的特点  12
    1.1.2 微波材料的分类  12-13
    1.1.3 微波在冶金中的应用  13-14
  1.2 数值仿真在微波加热中的应用  14-18
    1.2.1 数值算法简介  15-16
    1.2.2 微波加热过程的数值仿真  16-17
    1.2.3 微波反应腔优化设计  17-18
    1.2.4 超材料传感器设计  18
  1.3 本文的主要研究内容  18-21
第二章 微波加热动态仿真的理论基础  21-31
  2.1 电磁场理论基础  21-24
    2.1.1 麦克斯韦方程  21
    2.1.2 本构方程  21-22
    2.1.3 边界条件  22-23
    2.1.4 坡印廷矢量  23-24
  2.2 热量传输原理  24-26
    2.2.1 传导  24-25
    2.2.2 对流  25-26
    2.2.3 热辐射  26
  2.3 其他守恒控制方程  26-28
    2.3.1 连续性方程  26-27
    2.3.2 运动方程  27-28
  2.4 多物理场耦合  28-29
  2.5 本章小结  29-31
第三章 异质材料等效电磁特性研究  31-57
  3.1 等效介质理论  31-32
  3.2 S参数反演算法  32-34
  3.3 二维异质材料等效介电常数仿真  34-41
    3.3.1 仿真模型  34-35
    3.3.2 结果与讨论  35-41
  3.4 三维异质材料等效介电常数仿真  41-46
    3.4.1 仿真模型  41-42
    3.4.2 结果与讨论  42-46
  3.5 R-C网络模型  46-56
    3.5.1 并行计算介绍  47-48
    3.5.2 R-C网络模型并行算法研究  48-56
  3.6 本章小结  56-57
第四章 微波加热过程动态仿真  57-77
  4.1 电磁场与温度场耦合  57-62
    4.1.1 仿真模型  57-59
    4.1.2 结果与讨论  59-62
  4.2 微波加热转动物体  62-66
    4.2.1 仿真模型  62-63
    4.2.2 结果与讨论  63-66
  4.3 微波加热异质材料  66-71
    4.3.1 仿真模型  67
    4.3.2 结果与讨论  67-71
  4.4 微波加热流体  71-74
    4.4.1 仿真模型  71-72
    4.4.2 结果与讨论  72-74
  4.5 本章小结  74-77
第五章 微波反应腔优化设计  77-95
  5.1 微波腔体模式理论  77-81
    5.1.1 本征模式  77-79
    5.1.2 馈口激励模式  79
    5.1.3 负载大小对S_(11)的影响  79-81
  5.2 遗传算法思想  81-83
  5.3 馈口位置优化  83-89
    5.3.1 单馈口  85-87
    5.3.2 三馈口  87-89
  5.4 结合负载大小优化  89-93
    5.4.1 单馈口  89-91
    5.4.2 三馈口  91-93
  5.5 本章小结  93-95
第六章 超材料传感器研究  95-121
  6.1 WGM简介  95-99
    6.1.1 品质因子  97-99
    6.1.2 模式体积  99
  6.2 超材料简介  99-101
  6.3 WGM超材料传感器研究  101-119
    6.3.1 解析方法  101-106
    6.3.2 仿真模型  106-108
    6.3.3 结果与讨论  108-118
    6.3.4 潜在应用探讨  118-119
  6.4 本章小结  119-121
第七章 结论、主要创新点及展望  121-123
  7.1 结论  121
  7.2 主要创新点  121-122
  7.3 展望  122-123
参考文献  123-131
致谢  131-133
主要符号表  133-135
自主开发的软件介绍  135-141
攻读博士学位期间取得的主要研究成果  141

相似论文

  1. 压气机优化平台建立与跨音速压气机气动优化设计,TH45
  2. 涡轮S2流面正问题气动优化设计研究,V235.11
  3. 微波加热焚烧法处理沥青烟气的研究,X701
  4. 采油中心的动力特性分析及结构优化改进,TE933.1
  5. 深部大陆钻探用钻机顶驱液压系统设计与研究,TE922
  6. 拖拉机驾驶室的有限元分析及优化设计,S219.02
  7. 秸秆还田施肥播种机的设计与试验研究,S223.25
  8. 基于AMESim的带式输送机动态仿真研究,TD528.1
  9. 甘肃省化工研究院中层管理人员绩效考评体系优化设计研究,F426.7
  10. 立式数控铣削仿真加工系统研制,TG547
  11. SD公司人力资源管理信息化优化设计,F272.92
  12. 淡水鱼糜及其复合素材微波加热的特性研究,TS254.1
  13. 基于ANSYS的巨型框架—筒体结构抗震性能分析,TU352.11
  14. 离心式飞剪机的动态分析与驱动系统优化,TG333.21
  15. 摩托车车架设计及力学分析,U483
  16. 摩托车减振系统及乘骑舒适性研究,U483
  17. ATO分子筛的微波合成及正癸烷加氢异构化性能研究,TQ424.25
  18. 白车身结构模态分析及模态参数的优化设计,U463.82
  19. 变性偏心圆—非圆行星系分插机构分析、设计与参数优化,S223.91
  20. 基于反求工程原理求解旋转式分插机构的研究,TH132.41
  21. 微波加热Pt/C催化十氢萘脱氢反应的研究,O621.25

中图分类: > 工业技术 > 冶金工业 > 冶金技术 > 其他冶金技术
© 2012 www.xueweilunwen.com