电磁脉冲加热Debye媒质的快速计算

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)四川大学电子信息学院 作者:廖胤鸿

  本文提出了一种计算电磁脉冲加热Debye媒质的快速算法。从麦克斯韦方程组和Debye方程出发,重新定义了Debye媒质中的瞬态耗散功率。该定义能有效避免传统定义中瞬态耗散功率为负的情况。通过时间尺度变换,把电磁场的计算和热场的计算统一到同一时间尺度下,这样就可以节省大量的计算时间。另外,研究了长时间脉冲加热的效率和均匀性。结果表明,在同样的重复频率下,脉冲加热的效率与均匀性均低于连续微波。

  近几十年来,微波能作为一种清洁、高效的新能源已经走进了千家万户。微波加热因为其加热效率高、体加热等优点,而广泛应用于干燥、食品和冶金等领域。但微波加热的均匀性一直限制了微波加热的大规模工业应用。另一方面,由于周期脉冲具有丰富的频谱,如果采用周期脉冲加热,那么其加热的效率与均匀性将是一个有趣的问题。另外,在自然界中,许多物质都是Debye色散媒质,例如水和生物组织等。因此,研究电磁脉冲加热Debye媒质的过程具有特别重要的意义。然而,关于电磁脉冲加热Debye媒质方面的研究却很少。

  研究电磁脉冲加热Debye媒质的过程,存在两个难题:定义Debye媒质中的瞬态耗散功率;处理长的热传过程和快速变化的电磁脉冲的不同时间尺度。为了解决第一个难题,O.P.Gandhi以及Francois Torres等给出了一般色散媒质中的耗散功率公式。但是,他们的公式将会导致负的耗散功率,明显地,这违背了基本的物理定律。第二个难题是热传导过程往往持续时间长,而电磁脉冲的变化很快。为了准确地计算电磁场,必须需要严格的时间迭代步,这将极大的耗费计算时间和存储空间。

  因此,针对以上难题,本文提出了一种计算电磁脉冲加热Debye媒质的快速算法。首先,重新从麦克斯韦方程和Debye方程出发,重新定义了Debye媒质中的瞬态耗散功率。该定义可以有效地避免能量耗散为负的情况。其次,基于时间尺度变换,提出了一种快速算法。该算法将电磁场和热场统一到了同一时间尺度,这样就可以极大地节省计算资源。同时,给出了该算法的误差公式,该公式表明:计算误差与脉冲的占空比存在很大的关系。最后,对长时间的脉冲加热进行了研究,结果表明:在同样的重复频率下,脉冲加热的效率与均匀性均低于连续微波。

  结论

  本文提出一种电磁脉冲加热Debye媒质的快速计算方法。从麦克斯韦方程和Debye方程出发,重新定义了Debye媒质中的瞬态耗散功率。该定义可以有效地避免能量耗散为负的情况。其次,通过时间尺度变换,提出了一种快速算法。该算法将电磁场和热场统一到了同一时间尺度,这样就可以极大地节省计算资源。同时,给出了该算法的误差公式,该公式表明:计算误差与脉冲的占空比存在很大的关系。最后,对长时间的脉冲加热进行了研究,结果表明:在同样的重复频率下,脉冲加热的效率与均匀性均低于连续微波。

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