水合物樣品制備用微波加熱裝置的設(shè)計(jì)與仿真分析

李莉佳　姚佳琪　王紅巖　羅永江

摘要：Christine Ecker博士提出懸浮態(tài)水合物的概念后，在學(xué)術(shù)界得到了廣泛的引用，但是至今并沒有確鑿的野外觀測(cè)證據(jù)和室內(nèi)實(shí)驗(yàn)證明。羅永江等人提出了采用微波加熱的方法在實(shí)驗(yàn)室制取懸浮態(tài)水合物樣品的方法。文章介紹了采用微波加熱方法制取懸浮態(tài)水合物所需的微波加熱裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及采用HFSS軟件對(duì)裝置加熱均勻性的數(shù)值仿真與試驗(yàn)研究。

關(guān)鍵詞：懸浮態(tài)水合物；微波加熱裝置；HFSS仿真

中圖分類號(hào)：TE81 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-2374（2013）20-0022-04

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的高速發(fā)展，人類對(duì)能源資源的依賴程度急劇加大，但常規(guī)化石能源的已探明儲(chǔ)量與社會(huì)需求量存在較大差距，能源危機(jī)深入人心。在世界各國(guó)相繼投入新能源和可再生能源的開發(fā)與利用研究中，天然氣水合物因其具有儲(chǔ)量大、能量密度高、清潔無(wú)污染而受到各國(guó)的重視，并開展了大量的基礎(chǔ)理論研究與勘探開發(fā)工作。但由于天然氣水合物對(duì)儲(chǔ)層條件的特殊要求和對(duì)水合物儲(chǔ)存地層的不完全研究，對(duì)天然氣水合物的開發(fā)利用尚處于初級(jí)階段。因此，要安全、高效地開發(fā)利用天然水合物能源資源，還需進(jìn)行大量相關(guān)領(lǐng)域的研究工作。

1998年，Stanford University的Christine Ecker在其博士論文中提出天然氣水合物在地層中賦存的三種狀態(tài)模型，即懸浮態(tài)、接觸態(tài)、膠結(jié)態(tài)模型，并建立了三種模型中彈性波速與水合物飽和度等參數(shù)之間關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式，并得到學(xué)術(shù)界廣泛認(rèn)可和引用，但是至今并沒有確鑿的野外觀測(cè)證據(jù)和室內(nèi)實(shí)驗(yàn)證明。羅永江等人提出了采用微波加熱法作為制備懸浮態(tài)水合物樣品的前期處理手段，利用微波加熱具有高效性、穿透性和選擇性的特點(diǎn)，在多孔介質(zhì)孔隙中制備均勻分布的冰顆粒。因此，微波加熱裝置是該方法中的關(guān)鍵設(shè)備。本文介紹了專門設(shè)計(jì)用于懸浮態(tài)水合物樣品制備的微波加熱裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并采用HFSS高頻仿真軟對(duì)微波加熱裝置中樣品內(nèi)電磁場(chǎng)分布進(jìn)行了探索，最后采用試驗(yàn)方法研究了微波裝置對(duì)樣品加熱均勻性情況。

1 微波加熱裝置結(jié)構(gòu)

采用微波加熱的方法制取在多孔介質(zhì)中具有孔隙冰分布的樣品要求主要有兩點(diǎn)，分別是快速加熱和均勻加熱。快速加熱要求微波加熱裝置具有足夠的功率，使加熱樣品的時(shí)間較短，因?yàn)樵诙虝r(shí)間內(nèi)加熱樣品，由熱傳遞導(dǎo)致的熱量擴(kuò)散較小，可以比較準(zhǔn)確地控制樣品內(nèi)化冰的量；均勻加熱可以使樣品內(nèi)冰顆粒的分布較為均勻，是提出該思路根本目的。考察現(xiàn)有的各類微波加熱裝置中，微波加熱的均勻性仍是一個(gè)業(yè)界的難題，科研人員投入了大量的精力用于解決該問題。在考察了現(xiàn)有國(guó)內(nèi)外各類微波加熱裝置后認(rèn)為，現(xiàn)有的微波加熱裝置不能滿足本次試驗(yàn)要求，需研制適合本試驗(yàn)需求的微波加熱裝置。

所設(shè)計(jì)的微波加熱系統(tǒng)主要由電源供電系統(tǒng)，微波發(fā)生器，微波傳輸系統(tǒng)、饋口調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和微波防護(hù)裝置組成。電源供電系統(tǒng)主要由變壓器和高壓電容組成，為系統(tǒng)提供穩(wěn)定高壓電源；微波發(fā)生器是產(chǎn)生連續(xù)微波源的部件；微波傳輸系統(tǒng)可將微波發(fā)生器產(chǎn)生的微波能傳導(dǎo)至加熱材料處；磁控管調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)用于調(diào)節(jié)各磁控管的相對(duì)位置和波導(dǎo)口與樣品之間的距離，調(diào)節(jié)樣品內(nèi)部電場(chǎng)分布；微波防護(hù)裝置采用吸波材料吸收裝置泄露的微波能，防止微波泄漏對(duì)試驗(yàn)人員造成傷害。

1.水平軌道；2.磁控管固定架；3.豎直軌道；4.定位螺釘；5.豎直定位塊；6.定位螺釘；7.軌道連接塊；8.水平滑塊；9.水平軌道；10.底板

圖1 磁控管調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)滑道示意圖

圖1是磁控管調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)滑道示意圖，調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)由水平滑道和豎直滑道組成，磁控管固定在固定架上，能夠?qū)崿F(xiàn)水平方向距樣品管距離的調(diào)節(jié)和豎直方向磁控管之間相對(duì)位置的調(diào)節(jié)功能。圖2是微波加熱裝置實(shí)物照片。裝置由6套調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)呈圓周布置，被加熱樣品放置于圓心位置的轉(zhuǎn)盤上，由一低速交流電機(jī)以同一速度旋轉(zhuǎn)加熱，使樣品加熱均勻性更好。試驗(yàn)過程中，可通過調(diào)節(jié)波導(dǎo)口距樣品管的距離與磁控管之間的相對(duì)位置和工作的磁控管數(shù)量來(lái)調(diào)節(jié)樣品內(nèi)電場(chǎng)分布，改善樣品加熱均勻性。

圖2 磁控管可調(diào)行波加熱裝置

2 HFSS模擬分析與試驗(yàn)研究

2.1 數(shù)值模型

HFSS是由Ansoft公司推出的一款全波三維電磁場(chǎng)仿真軟件，軟件采用的是有限元法，具有較高的計(jì)算精度，被認(rèn)為是高頻電磁場(chǎng)分析和設(shè)計(jì)的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。HFSS用戶界面簡(jiǎn)潔，具有較精確的自適應(yīng)場(chǎng)求解器和強(qiáng)大的電磁場(chǎng)后處理器，被廣泛用于射頻和微波器件設(shè)計(jì)，電真空器件設(shè)計(jì)，天線、天線罩及天線陣設(shè)計(jì)仿真，高速互連結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，光電器件仿真設(shè)計(jì)等高頻電磁場(chǎng)的分析設(shè)計(jì)中。可計(jì)算顯示電壓駐波比、傳播常數(shù)和端口阻抗、S、Y、Z等參數(shù)矩陣、電磁場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)分布和電流分布等參數(shù)。論文采用HFSS軟件對(duì)樣品內(nèi)電場(chǎng)分布情況進(jìn)行了可視化仿真分析。

圖3 6個(gè)磁控管工作數(shù)值模型

分析變量為同時(shí)工作磁控管數(shù)量n和波導(dǎo)口距樣品管距離d以及磁控管不同排列方式k。根據(jù)實(shí)際微波加熱裝置情況，設(shè)定磁控管數(shù)量n分別為6個(gè)、7個(gè)、8個(gè)、9個(gè)，波導(dǎo)口距樣品管距離d分別為0cm、3cm、6cm、9cm、12cm，當(dāng)n=6時(shí)，k有三種排列方式，n=7和n=8時(shí)有兩種排列方式，n=9時(shí)有1種排列方式，各類不同排列情況如圖4所示。因此，三個(gè)參數(shù)的排列組合總共有40個(gè)數(shù)值模型。

圖4 不同磁控管排列方式

2.2 數(shù)值模擬結(jié)論

圖5 n=6時(shí)樣品內(nèi)電場(chǎng)分布云圖

數(shù)值模型網(wǎng)格劃分采用HFSS自適應(yīng)網(wǎng)格劃分，激勵(lì)頻率為2.45GHz，單個(gè)激勵(lì)功率為1.5kW。在微波加熱過程中，樣品內(nèi)的電場(chǎng)分布情況可以間接反映樣品加熱時(shí)溫度分布情況，樣品內(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)度與可轉(zhuǎn)化能量之間的關(guān)系為：

P=2πε0εE2ftanδ

式中：

ε0——真空介電常數(shù)

ε——材料的相對(duì)介電常數(shù)

δ——材料的正確損耗角

圖5是模擬6個(gè)磁控管對(duì)樣品進(jìn)行加熱時(shí)，不同磁控管排布方式和不同波導(dǎo)口距樣品管距離情況下，樣品內(nèi)的電場(chǎng)分布情況。由圖5可知：

（1）在一類排布情況下，樣品中心電場(chǎng)強(qiáng)度高于周圍電場(chǎng)強(qiáng)度。波導(dǎo)口距樣品管樣品0cm時(shí)，強(qiáng)電場(chǎng)集中點(diǎn)分布于整個(gè)樣品內(nèi)；在距離為3cm時(shí)，頂端和底部電場(chǎng)較強(qiáng)，其中最強(qiáng)電場(chǎng)出現(xiàn)在下端部分，中偏上部分電場(chǎng)較弱；在5個(gè)距離參數(shù)中，9cm時(shí)強(qiáng)電場(chǎng)集中點(diǎn)較少，電場(chǎng)分布相對(duì)比較均勻。

（2）采用二類排布方式時(shí)，波導(dǎo)口距樣品管6cm情況下電場(chǎng)分布最均勻，并且樣品內(nèi)最大電場(chǎng)強(qiáng)度最小，因此，可以斷定在該條件下加熱樣品時(shí)，樣品內(nèi)溫度分布均勻性應(yīng)該比較好；在距離為0cm時(shí)電場(chǎng)分布最不均勻，強(qiáng)電場(chǎng)集中點(diǎn)主要出現(xiàn)在樣品中下部區(qū)域。

（3）在波導(dǎo)口距樣品管樣品3cm、6cm和9cm時(shí)樣品內(nèi)電場(chǎng)分布相對(duì)比較均勻，尤其是在9cm情況下，最大電場(chǎng)強(qiáng)度值最小，因此可預(yù)測(cè)在該種情況下樣品，對(duì)樣品進(jìn)行加熱樣品內(nèi)溫度分布均勻性相對(duì)其他4種情況較好；在距離為0cm時(shí)，強(qiáng)電場(chǎng)區(qū)域主要集中在樣品的中心軸線上；在距離為12cm時(shí)，強(qiáng)電場(chǎng)區(qū)域主要集中在樣品頂部中心處。

圖6是模擬7個(gè)磁控管對(duì)樣品進(jìn)行加熱時(shí)，不同磁控管排布方式和不同波導(dǎo)口距樣品管距離情況下，樣品內(nèi)的電場(chǎng)分布情況。由圖6可知：

圖6 n=7時(shí)樣品內(nèi)電場(chǎng)分布云圖

（1）在一類排列方式時(shí)，5種距離情況下，樣品中心電場(chǎng)強(qiáng)度均高于樣品周圍；波導(dǎo)口距樣品管12cm時(shí)，樣品內(nèi)部強(qiáng)場(chǎng)集中點(diǎn)較少且基本集中在中心軸線上；在距離0cm和3cm時(shí)，樣品上部強(qiáng)電場(chǎng)區(qū)域較為集中；6cm時(shí)樣品內(nèi)電場(chǎng)分布相較于其他距離較為均勻。

（2）在二類排列方式時(shí)，除距離為6cm出現(xiàn)電場(chǎng)高于其他排布時(shí)，隨著距離的增加，樣品內(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)度減小，樣品內(nèi)電場(chǎng)分布趨于均勻，整體呈現(xiàn)中心區(qū)域場(chǎng)強(qiáng)大于周圍；距離為3cm時(shí)，樣品上部電場(chǎng)強(qiáng)度較高，可預(yù)測(cè)在加熱時(shí)，上部溫度可能較高；從云圖分布來(lái)看，在距離為9cm和12cm時(shí)，樣品內(nèi)部電場(chǎng)強(qiáng)度分布相對(duì)比較均勻。

圖7是模擬8個(gè)磁控管對(duì)樣品進(jìn)行加熱時(shí)，不同磁控管排布方式和不同波導(dǎo)口距樣品管距離情況下，樣品內(nèi)的電場(chǎng)分布情況。由圖7可知：

圖7 n=8時(shí)樣品內(nèi)電場(chǎng)分布云圖

（1）在一類排布時(shí)，波導(dǎo)口距樣品管距離為6cm時(shí)，樣品內(nèi)場(chǎng)強(qiáng)較小，強(qiáng)電場(chǎng)集中區(qū)域較少，可預(yù)測(cè)在該距離下加熱樣品時(shí)，樣品內(nèi)溫度分布比較均勻。

（2）在二類排布時(shí)，樣品在6cm和9cm時(shí)內(nèi)部電場(chǎng)分布均勻性比較差；在12cm時(shí)分布均勻性較好；在距離0cm時(shí)，樣品內(nèi)電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)較小；在該距離下加熱樣品可能出現(xiàn)升溫速率較慢的問題。

圖8是模擬9個(gè)磁控管對(duì)樣品進(jìn)行加熱時(shí)，不同磁控管排布方式和不同波導(dǎo)口距樣品管距離情況下，樣品內(nèi)的電場(chǎng)分布情況。由圖8可知：在距離3cm時(shí)，樣品下部中心軸線上出現(xiàn)強(qiáng)場(chǎng)區(qū)域，可預(yù)知在該條件下，樣品下部中心溫度高于上部溫度；在距離9cm時(shí)，樣品內(nèi)電場(chǎng)分布比較均勻，但相比較于12cm時(shí)的云圖，9cm時(shí)整體電場(chǎng)強(qiáng)度較大，所以，在采用九磁控管加熱時(shí)可能在12cm情況下溫度分布均勻性好于9cm。

圖8 n=9時(shí)樣品內(nèi)電場(chǎng)分布云圖

3 結(jié)語(yǔ)

通過采用高頻電磁場(chǎng)仿真軟件HFSS對(duì)使用所設(shè)計(jì)的微波加熱裝對(duì)樣品進(jìn)行加熱時(shí)樣品內(nèi)的電場(chǎng)分布情況進(jìn)行了模擬仿真分析，分析表明：

（1）通過調(diào)節(jié)波導(dǎo)口距樣品管的距離和磁控管的排列方式可以調(diào)整樣品內(nèi)電場(chǎng)分布情況，適當(dāng)?shù)木嚯x和樸烈方式情況下可得到較均勻的電場(chǎng)分布。

（2）采用所涉及的微波加熱裝置對(duì)樣品進(jìn)行加熱時(shí)，如樣品采用單一吸波材料情況下，樣品中心溫度高于樣品周圍溫度。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：李莉佳（1991—），女，黑龍江大慶人，吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院本科學(xué)生，研究方向：勘查技術(shù)與工程。