黄土介质微波加热机理及效果研究.pdf

收稿日期:2 0 2 3 0 7 1 3;修回日期:2 0 2 3 1 1 1 2基金项目:国家重点研发计划资助项目(2 0 2 0 Y F A 0 7 0 9 8 0 0)作者简介:李建星(1 9 8 7-),男,河南安阳人,教授,博士,主要从事微波毫米波太赫兹器件与天线研究。E-m a i l:j i a n x i n g l i.c h i n a x j t u.e d u.c n黄土介质微波加热机理及效果研究李建星1,王健合1,吴思凡1,王志丰2,陈 娟1(1.西安交通大学 信息与通信工程学院,西安7 1 0 0 4 9;2.长安大学 公路学院,西安7 1 0 0 1 8)摘 要:针对土木工程领域软弱黄土地基热固结效果的问题,基于C OM S O L M u l t i p h y s i c s分别建立了电阻式热传导、理想微波辐射、实际天线辐射的黄土加热模型,对加热速率和范围进行了仿真和分析,并探讨了不同微波频率对加热效果的影响。结果表明:微波加热效果优于电阻式热传导,而对于实际天线,由于热传导和微波加热两种机制共同作用,加热效果最佳。此外,通过对工作频率进行分析研究,得出微波加热效果随频率增大不断恶化的特性。在实际工程中,应用天线辐射对黄土地基进行热加固处理,可以提升加热效率,确保黄土地基稳定性。关键词:微波加热;微波烧结;黄土地基;电磁热耦合;多物理场仿真中图分类号:T N 9 9;O 4 5 1;文献标志码:A D O I:1 0.1 2 0 6 1/j.i s s n.2 0 9 5 6 2 2 3.2 0 2 4.0 1 0 5 0 4M i c r o w a v e H e a t i n g M e c h a n i s m a n d E f f e c t i n L o e s s D i e l e c t r i cL I J i a n x i n g1 WANG J i a n h e1 WU S i f a n1 WANG Z h i f e n g2 CHE N J u a n1 1 S c h o o l o f I n f o r m a t i o n a n d C o mm u n i c a t i o n s E n g i n e e r i n g X i a n J i a o t o n g U n i v e r s i t y X i a n 7 1 0 0 4 9 C h i n a 2 S c h o o l o f H i g h w a y C h a n g a n U n i v e r s i t y X i a n 7 1 0 0 1 8 C h i n a A b s t r a c t I n t h i s p a p e r t h e t h e r m a l c o n s o l i d a t i o n i n c o l l a p s i b l e l o e s s f o u n d a t i o n s i n t h e f i e l d o f c i v i l e n g i n e e r i n g i s a d d r e s s e d T h r e e d i f f e r e n t m o d e l s n a m e l y r e s i s t i v e h e a t i n g m i c r o w a v e r a d i a t i o n a n d a n t e n n a r a d i a t i o n a r e d e v e l o p e d u s i n g C OM S O L M u l t i p h y s i c s T h e h e a t i n g s p e e d a n d r a n g e a r e s i m u l a t e d a n d a n a l y z e d f o r e a c h m o d e l a n d t h e i n f l u e n c e o f d i f f e r e n t m i c r o w a v e f r e q u e n c i e s o n t h e h e a t i n g m o d e l i s m e c h a n i s t i c a l l y a n a l y z e d T h e r e s e a r c h r e s u l t s s h o w t h a t m i c r o w a v e h e a t i n g o u t p e r f o r m s r e s i s t i v e h e a t i n g a n d t h e a n t e n n a r a d i a t i o n p r o v i d e s t h e m o s t o p t i m a l h e a t i n g e f f e c t d u e t o t h e c o m b i n e d a c t i o n o f b o t h h e a t i n g m e t h o d s F u r t h e r m o r e b y a n a l y z i n g t h e o p e r a t i n g f r e q u e n c y i t i s f o u n d t h a t t h e m i c r o w a v e h e a t i n g e f f e c t d e t e r i o r a t e s c o n t i n u o u s l y w i t h i n c r e a s i n g f r e q u e n c y I n p r a c t i c a l e n g i n e e r i n g a p p l i c a t i o n s u t i l i z i n g a n t e n n a r a d i a t i o n f o r t h e r m a l c o n s o l i d a t i o n o f c o l l a p s i b l e l o e s s f o u n d a t i o n s c a n e n h a n c e h e a t i n g e f f i c i e n c y a n d e n s u r e t h e s a f e t y o f s u p e r s t r u c t u r e s K e y w o r d s m i c r o w a v e h e a t i n g m i c r o w a v e s i n t e r i n g c o l l a p s i b l e l o e s s f o u n d a t i o n e l e c t r o m a g n e t i c-t h e r m a l c o u p l i n g m u l t i p h y s i c s f i e l d s i m u l a t i o n 在土木工程 领 域,为 了 确 保 工 程 建 设 安 全,需要对软弱 地基进 行 热 加 固 处 理1。通 常 的 加热方法分为 常规加热法 和微波 加 热 法。常 规 加热法利用化石燃料燃烧、电热丝加热或化学反应固热2等方式,通过辐射对 流、热传导 等 原 理 对物料进行加热。但该方法在 实现 过 程 中 需 要 添加物料进行加固,具有施工成本大、处理效率低、施工周期长等 缺点。微波加 热法 以 电 磁 能 量 在1-405010第1 5卷 第1期2 0 2 4年2月现 代 应 用 物 理MO D E R N A P P L I E D P HY S I C SV o l.1 5,N o.1F e b.2 0 2 4介质中 的 损 耗 为 加 热 原 理,将 电 磁 能 转 化 为 热能,具有即 时、可选择及 高效等优 势。近 年 来 提出的微波烧结黄土技术,采用微波加热的方式对黄土地基进行热加固3,利用微波加热将电磁能转化为热能,降低土体含水率,提高其强度,满足工程安全的需求。在微波加热方面,文献2 3阐述了 微 波 加 热 的 应 用 背 景 及 发 展 方 向,文 献4 提出了将微波加热应用于木材干燥。上述研究对于微波加热介质具有一定的指导意义,但都未建立物理模型分析其可行性与效果。文献5提出了一种用 于微波烧 结黄土的圆 波导缝隙 天线,但是并没有对比分析微波加热与热源加热的效果及说明 应该如何选 择微波 的 频 率。微 波 加热应用于黄土 烧结问题 在国内外的 研究及相 关论文较为匮乏,亟需开展相关基础原理研究,以指导工程实践。为了验证微波加热在实际工程领域的可行性以及讨论不同频率电磁波在介质加热中的效果,本文基于电磁仿真软件C S T M i c r o w a v e S t u d i o和多物理场仿真软件C OM S O L M u l t i p h y s i c s设计了3种不同的物理模型,对比了电阻式热传导、理想微波辐射、实际天线辐射的加热效果,并分析了各自的作用机理。同时,设计了不同频率的微波加热模型,对比了不同频率下的加热效果,并从加热温度、加热范围角度讨论了频率对加热效果的影响。1微波加热模型1.1基本原理固体介质的加热大体可分为电阻式热传导和微波辐射2种模式。图1为2种加热模式的对比。由图1(a)可见,热源直接通过热传导、辐射对流等原理,首先加热物体内部,再从内部将热量传导到外部,实现整体温度的升高6,但这种加热模式热量传播方向单一,容易造成温度分布不均匀。由图1(b)可见在微观下,固体介质中的极性分子在电磁场中的排列会根据电场方向发生偏转。在高频(1 GH z)电磁场中,电场的方向以每秒数亿次的频率变化,介质中的极性分子也会跟随电磁场的方向重新排列,克服原有分子间的相互作用,产生大量内能7。热量在物体外部和内部之间双向传播,实现介质整体较为均匀的温度上升,宏观上表现为电磁波在介质中的损耗,并将电磁能转化为内能8。(a)R e s i s t i v e h e a t i n g m o d e l(b)M i c r o w a v e h e a t i n g m o d e l图1 2种加热模式的对比F i g.1 C o m p a r i s o n o f t w o h e a t i n g m o d e l s1.2电磁能量在介质中的损耗根据电磁能量方程,电磁场在介质中的损耗分为电极化损耗、磁极化损耗、导体损耗9。各向同性介质中,电极化损耗功率密度Pe和磁极化损耗功率密度Pm可表示为Pe=12 0 E02+120E02c o s2 t t+120E02c o s ts i n t t(1)Pm=120 H02+120H02c o s2 tt+120H02c o s ts i n tt(2)其中:0,0,分别为介电常数、相对介电常数的实部、虚部、磁导率及相对磁导率的实部和虚部;为角频率;t为时间;E0为电场强度最大值;H0为磁场强度最大值。当介电特性未发生变化或变化较小时,式(1)和式(2)可简化为Pe=12 0 E02(3)Pm=120 H02(4)总电磁能量损耗功率密度P1可表示为P1=Pj+Pe+Pm=E2+12 0 E02+120 H02(5)其中:Pj为磁极化损耗功率密度;为电导率;E为2-405010第1 5卷现 代 应 用 物 理电场强度。在黄土等低导电率的介质中,式(5)可进一步简化为P1=12 0 E02+120 H02(6)因此,对于本文实验所构建的低电导率黄土模型,只需关注黄土的电磁参数与多物理场相互影响,在宏观层面仿真实际加热效果。1.3最优效果分析由式(6)可知,在黄土等低电导率介质中,当介质的介电常数等电磁材料参数变化较小时,介电损耗与频率、电场强度、磁场强度成正比。但是在实际中频率与介质的加热效果并不是简单的线性关系,加热效果也受到有效加热区域范围的影响。在微波加热过程中,电磁能量在介质中衰减1 0,其衰减规律随频率和介质的材料属性变化,在黄土介质中表示为E=E0e-k ze-jk z(7)k=21+2-1(8)其中,k,k 分别为波数的实部和虚部。由式(7)可知,频率越高,电场在黄土介质中衰减越快,加热范围越小。对于特定需求的烧结区域,理论上存在一个合适的频率兼顾加热效果和加热范围,本文将讨论最佳频率的选取。2黄土介质微波加热计算2.1模型及参数选取本文 基 于 多 物 理 场 仿 真 软 件C OM S O L M u l t i p h y s i c s,分别对黄土烧结中理想电阻式热传导、理想微波辐射及之前工作中设计的天线1 1进行建模、仿真与机理分析。图2为加热模型。3种模型外部土体参数相同,理想电阻式热传导和理想微波辐射以中间柱面为热源和微波源,分别向外辐射热量和电磁波。辐射功率设置为1 kW,理想电阻式热传导仅考虑柱面源到内部土体的热传导效应和土体与外部空气的热对流效应,理想微波辐射在理想电阻式热传导模型设置的基础上加入了电热耦合场,计算由中心柱面辐射的电场分布及电磁能转化的内能。实际天线加热模型在理想微波辐射电热耦合场的基础上,将中间理想柱面源替换为文献1 0的微波烧结天线。模型主要参数设置为外部黄土半径为0.5 m,深度为1 m。黄土的相关材料参数参考文献1 21 3 设置:土壤模型中,相对介电常数、相对磁导率分别为4 0-1 2 j,1,电导率 为0.0 2 Sm-1,密度为1 6 8 0 k gm-3,导热系数为0.3 6 Wm-1K-1,恒压热容为1 3 0 0 Jk g-1K-1。(a)R e s i s t i v e h e a t i n g m o d e l a n d m i c r o w a v e h e a t i n g m o d e l(b)A n t e n n a h e a t i n g m o d e l图2加热模型F i g.2 H e a t i n g m o d e l s针对不同加热机理,进行不同物理仿真设置。理想电阻式热传导模型设置为:模型中间部分的圆柱面为辐射功率1 kW的热源,土体初始温度为2 0,土体外部边界条件设置为热通量边界,对流热系数为2 0 Wm-2K-1;理想微波辐射模型设置为:模型中间部分的圆柱面为辐射功率1 kW的微波辐射源,土体周围边界条件设置为散射边界;实际天线加热模型中设置天线输入功率为1 kW。天线在土体中的反射系数S1 1随频率f的变化关系如图3所示。由图3可见,频率为2.4 4 52.4 6 5 GH z时,满足S1 1-1 0 d B,天线匹配良好,边界条件相关设置与理想微波相同,考虑天线金属对土体的热传导,初始温度等其他条件与理想热源模型相同。图3天线在黄土中的反射系数随频率的变化关系F i g.3S1 1v s.f3-405010 李建星 等:黄土介质微波加热机理及效果研究第1期2.2不同加热模型下加热效果分析不同加热模型加热7 2 h后的稳态温度分布如图4所示。由图4可见,温度在土体中心处最高,随着距中心距离向两边扩散,距离辐射面越远,温度越低。距离模型中心0.1 m处的最高温度在电阻式热传导、理想微波辐射和实际天线辐射模型中分别为7 1 9,8 2 9,1 0 4 4。(a)T e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o n o f t h e r e s i s t i v e h e a t i n g m o d e l(b)T e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o n o f t h e m i c r o w a v e h e a t i n g m o d e l(c)T e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o n o f t h e a n t e n n a h e a t i n g m o d e l图4 3种加热模型加热7 2 h后的稳态温度分布F i g.4 S t e a d y-s t a t e t e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o n a f t e r 7 2 h o f h e a t i n g i n 3 h e a t i n g m o d e l s 图5为3种加热模型的瞬态温度曲线。由图5(a)可见,理想电阻式热传导加热下,土体中心处最高温度可达8 0 0,整个土体平均温度可达4 9;由图5(b)可见,理想微波源加热下,土体中心处最高温度可达9 0 0,整个土体平均温度可达5 3,温度高于理想电阻式热传导的加热结果;由图5(c)可见,由于电磁波由天线的缝隙处辐射,在天线各个缝隙处温度较高,缝隙处最高温度可达1 3 0 0,土体平均温度可达1 7 8,高于理想电阻式热传导、理想微波的加热结果。(a)T e m p e r a t u r e i n r e s i s t i v e h e a t i n g m o d e l v s.t i m e(b)T e m p e r a t u r e i n m i c r o w a v e h e a t i n g m o d e l v s.t i m e(c)T e m p e r a t u r e i n a n t e n n a h e a t i n g m o d e l v s.t i m e图5 3种加热模型的瞬态温度曲线F i g.5 T e m p e r a t u r e v s.t i m e i n 3 h e a t i n g m o d e l s 距离中心0.1,0.2 5,0.4 m处,不同加热方式所对应的最高温度随时间的变化关系如图6所示。由图6(a)和图6(b)可见,距离中心0.1,0.2 5 m处,02 0 h内土体最高温度上升较快,4 07 2 h内最高温度上升平缓。在温度上升的速率上,实际天线模型最高,理想微波次之,理想电阻式热传导最次。对于理想电阻式热传导模型,土体温度上升的因素主要由热传导决定,温度由热源向内部传导,加热速率较缓。而对于理想微波模型,温度升高由电磁波在介质里的损耗引起,介质内部直接产生热量,加热速率较快。对于实际天线模型,由于天线本身是有耗金属并且向土体辐射电磁波,温度升高由天线金4-405010第1 5卷现 代 应 用 物 理属自身导体热损耗和电磁波的介质损耗共同影响,在两种加热模型的共同作用下,加热速率最快、覆盖的范围最广。(a)0.1 m f r o m t h e c e n t e r(b)0.2 5 m f r o m t h e c e n t e r(c)0.4 m f r o m t h e c e n t e r图6距离中心0.1,0.2 5,0.4 m处,不同加热模型所对应的最高温度随时间的变化关系F i g.6 M a x i m u m t e m p e r a t u r e v s.t i m e a t d i s t a n c e s o f 0.1,0.2 5,0.4 m f r o m t h e c e n t e r i n 3 h e a t i n g m o d e l s 理想微波辐射模型中,距离中心0.1,0.2 5,0.4 m处,不同加热频率所对应的最高温度随时间的变化关系如图7所示。由图7(b)和图7(c)可见,随着频率升高,加热可达的最高温度逐渐降低。这是由于频率升高时,电磁波随距离衰减更加显著,可传播到的最大范围随之缩小,加热效果随频率升高不断恶化。但由图7(a)可见,距离中心0.1 m处,1 GH z下微波加热的温度大于5 0 0 MH z下的温度,这是因为频率为1 GH z时,电场幅值在0.1 m较近的传播范围内随距离衰减不明显,根据式(6)电磁损耗与频率可近似认为成正比,所以在1 GH z电场下的电磁损耗大于在5 0 0 MH z下的损耗。但随着频率进一步增加,电磁波随距离的衰减占主导作用,由式(7)可知,此时电磁损耗与频率可认为成反比。加热效果随频率升高不断恶化。上述结果表明:随着频率升高,微波加热效果会变差,随着加热范围扩大,为保证加热效果,应降低加热频率。实际工程中烧结范围为0.10.5 m,在此范围内,0.5,1,2.4 5 GH z加热效果的差别较小,且商用的低成本磁控管功率源的工作频率通常设计为2.4 5 GH z。在实际工程中从加热范围和功率源获得的便利性上考虑,可选择2.4 5 GH z的功率源进行加热。(a)0.1 m f r o m t h e c e n t e r(b)0.2 5 m f r o m t h e c e n t e r(c)0.4 m f r o m t h e c e n t e r图7理想微波辐射模型中,距离中心0.1,0.2 5,0.4 m处,不同加热频率所对应的最高温度随时间的变化关系F i g.7 M a x i m u m t e m p e r a t u r e v s.t i m e a t d i s t a n c e s o f 0.1,0.2 5,0.4 m f r o m t h e c e n t e r u n d e r d i f f e r e n t h e a t i n g f r e q u e n c i e s i n t h e m i c r o w a v e h e a t i n g m o d e l5-405010 李建星 等:黄土介质微波加热机理及效果研究第1期3结论本文建立了不同加热模型的物理模型,通过仿真对比了传统电阻式热传导和微波加热在黄土热加固的效果。结果表明,微波加热对黄土的热加固中效果优于电阻式热传导,但天线在热加固过程中两种加热模型并存,加热效果更具优势。通过对微波加热模型的频率参数化分析,得到了一定范围内随频率升高,微波加热效果会恶化的规律,成果可为微波加热黄土地基设计提供理论参考。参考文献 1 肖广源 郑书全 焙烧法加固土技术简介 J 路基工程 1 9 9 7 3 3 4 3 6 X I AO G u a n g-y u a n Z HE N G S h u-q u a n I n t r o d u c t i o n o f s o i l s t r e n g t h e n i n g b y r o a s t i n g J S u b g r a d e E n g i n e e r i n g 1 9 9 7 3 3 4 3 6 2 牟群英 李贤军 微波加热技术的应用与研究进展 J 物理 2 0 0 4 3 3 6 4 3 84 4 2 MOU Q u n-y i n g L I X i a n-j u n A p p l i c a t i o n a n d r e s e a r c h p r o g r e s s o f m i c r o w a v e h e a t i n g t e c h n o l o g y J P h y s i c s 2 0 0 4 3 3 6 4 3 8 4 4 2 3 苏世强 重塑黄土微波烧结天线设计及其室内试验分析 D 西安 长安大学 2 0 2 1 S U S h i-q i a n g D e s i g n a n d l a b o r a t o r y t e s t a n a l y s i s o f m i c r o w a v e s i n t e r i n g a n t e n n a f o r r e m o l d e d l o e s s D X i a n C h a n g a n U n i v e r s i t y 2 0 2 1 4 杨敏 王喜明 微波加热在木材干燥中的应用进展 J 木材加工机 械 2 0 0 5 2 3 23 5 YAN G M i n WAN G X i-m i n g A p p l i c a t i o n p r o g r e s s o f m i c r o w a v e h e a t i n g i n w o o d d r y i n g J F o r e s t r y a n d G r a s s l a n d M a c h i n e r y 2 0 0 5 2 3 2 3 5 5 刘宁 一种基于TM0 1模的圆波导漏波天线 Z L 2 0 1 8 2 0 6 9 6 1 8 6 P 2 0 1 9 L I U N i n g A c i r c u l a r w a v e g u i d e s l t a n t e m n a b a s e d o n TM0 1 m o d e Z L 2 0 1 8 2 0 6 9 6 1 1 8 6 P 2 0 1 9 6 谢蒙优 石建军 陈国平 等 微波烧结技术的研究进展及展望 J 粉末冶金工业 2 0 1 9 2 9 3 6 6 7 2 X I E M e n g-y o u S H I J i a n-j u n C HE N G u o-p i n g e t a l R e s e a r c h p r o g r e s s a n d p r o s p e c t o f m i c r o w a v e s i n t e r v e n i n g t e c h n o l o g y J P o w d e r M e t a l l u r g y I n d u s t r y 2 0 1 9 2 9 3 6 6 7 2 7 孙凤坤 邢泽炳 微波技术原理及其发展与应用 J 科技创新与应用 2 0 1 4 8 2 0 6 3 4 S UN F e n g-k u n X I N G Z e-b i n g P r i n c i p l e s d e v e l o p m e n t a n d a p p l i c a t i o n s o f m i c r o w a v e t e c h n o l o g y J T e c h n o l o g y I n n o v a t i o n a n d A p p l i c a t i o n 2 0 1 4 8 2 0 6 3 4 8 杨子宁 微波技术的 发 展 与 应 用 J 中 国 科 技 信 息 2 0 0 6 1 8 1 4 2 1 4 3 YANG Z i-n i n g D e v e l o p m e n t a n d a p p l i c a t i o n o f m i c r o w a v e t e c h n o l o g y J C h i n a S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y I n f o r m a t i o n 2 0 0 6 1 8 1 4 2 1 4 3 9 王家万 王亚夫 微波加热原理及应用 J 吉林师范大学学报 自然科学版 2 0 1 2 3 3 4 1 4 21 4 4 WAN G J i a-w a n WANG Y a-f u P r i n c i p l e s a n d a p p l i c a t i o n s o f m i c r o w a v e h e a t i n g J J o u r n a l o f J i l i n N o r m a l U n i v e r s i t y N a t u r a l S c i e n c e E d i t i o n 2 0 1 2 3 3 4 1 4 2 1 4 4 1 0 钟带生 电磁波在介质 中透入深度的 研 究 J 科 技 广 场 2 0 1 0 1 0 2 5 1 01 3 Z HON G D a i-s h e n g R e s e a r c h o n p e n e t r a t i o n d e p t h o f e l e c t r o m a g n e t i c i n t h e m e d i u m J S c i e n c e M o s a i c 2 0 1 0 1 0 2 5 1 0 1 3 1 1 鲁艺 陈娟 李建星 用于微波烧结黄土的圆波导缝隙天线设计 J 现代应用物理 2 0 2 3 1 4 1 0 1 0 5 0 1 L U Y i C HE N J u a n L I J i a n-x i n g A c i r c u l a r w a v e g u i d e s l o t a n t e n n a f o r m i c r o w a v e s i n t e r i n g l o e s s J M o d e r n A p p l i e d P h y s i c s 2 0 2 3 1 4 1 0 1 0 5 0 1 1 2 B E L YA E VA T A S O S NOV S KY Y M M i c r o w a v e d i e l e c t r i c b e h a v i o r o f w e t s o i l s i n r e g i o n o f t r a n s i t i o n m o i s t u r e C I n t e r n a t i o n a l G e o s c i e n c e a n d R e m o t e S e n s i n g S y m p o s i u m L i n c o l n N E U S A 1 9 9 6 1 3 T I KHONOV V V M o d e l o f c o m p l e x d i e l e c t r i c c o n s t a n t o f w e t a n d f r o z e n s o i l i n t h e 1 4 0 GH z f r e q u e n c y r a n g e C I n t e r n a t i o n a l G e o s c i e n c e a n d R e m o t e S e n s i n g S y m p o s i u m P a s a d e n a C A U S A 1 9 9 4 6-405010第1 5卷现 代 应 用 物 理