微波炉加热效应仿真分析教学提纲.doc

学生研究性学习与创新性实验项目
结题报告

项目名称： 微波炉加热效应仿真分析
项目负责人： 温令云 指导教师: 宗卫华
项目组其他成员： 张伟，张人婕，曲婧，杜哲
起止年月： 2009 年 9 月至 2010 年 9 月
责任学院： 自动化工程学院

填写日期：2010年 10 月 15 日
填 表 说 明

一、 填写结题报告书前，请先征求指导教师意见。报告书的各项内容要求实事求是，逐条认真填写。表达明确、严谨，一律要求用打印稿件。
二、要求在本报告后，必须附带经指导教师审阅、签字的详细研究资料与结果（论文、实验报告等）材料。对不能以书面形式展示的成果要有图像或软件、视频等材料，并成果实物应交学院存档。
三、如表格不够，可以另加附页。

基本情况
项 目 名 称
微波炉加热效应仿真分析
负
责
人
姓 名
温令云杜哲
学 号
2007
电 话
15806598362
专业年级
电子信息工程
E-mail
wlyhero@
指导教师
姓 名
宗卫华
从事专业
电子信息
电 话
13963987005
E-mail
weihuazong@
其他实际参加人员
姓 名
张伟
年级专业
2007级电气工程
姓 名
张人婕
年级专业
2007级电气工程
姓 名
曲婧
年级专业
2006级通信工程
姓 名
杜哲
年级专业
2006级通信工程
研究经费
总经费
校拨经费
院拨经费
实际支出经费
800元
800元
0元
800元
研究期限
计划完成年月
2010年9月
实际完成年月
2010年9月
计划完成情况
1.提前完成 2 .按期完成√ 3.延期完成 4.终止
未按期完成的原因：
研究成果形式
实验设计
1套
发表论文
0篇
实验报告
1个
制作课件
0本
调查报告
0个
专利
0个
硬件制作
0个
软件设计
0个
模型作品
0个
会议交流
0次
成果应用情况
研究成果可适用于《电磁场与电磁波》和《微波技术与天线》课程的教学中。

研究工作总结简介
请按照下列提纲编写，要求简明扼要，以学术总结为主，总字数在1500字。
1.主要研究内容与方法、研究结果。
微波加热广泛应用在日常生活中。由于感应电流的原因，金属材料的容器在微波炉中加热会产生火花，鸡蛋在微波炉中加热会发生爆炸。在理论上很难精确分析这些现象产生的原因，采用电磁分析软件对微波炉中的物体进行场分析，可以解释上述现象。本课题采用ansoft软件，对微波炉及其中的被加热物体进行计算，分析产生火花和爆炸的原因。
仿真方法和思路：
（1）查找文献，学习微波加热的原理，了解被加热物质的电磁特性。
微波辐射到物体表面时，通过三种途径传播。一部分从物体的周围“绕”过去，另一部分从表面反射回来，还有一部分船头到物体内部。不同尺寸、不同材料的物体，这三种的比例不相同。物体截面尺寸比波长小得多，容易发生衍射，大部分微波“绕”过物体，向前传播。物体截面尺寸大大超过微波的波长，物体本身又是良导体，微波大部被反射。如果是不导电的物体，且截面尺寸大于微波的波长，则微波大部穿透物体的表面进入内部。进入内部的微波，与组成物质的分子相互作用，使一部分微波能量转换成热能，从而使物体温度升高。。
物料介质由极性分子和非极性分子组成，在电磁场作用下，这些极性分子从随机分布状态转为以电场方向进行取向排列。而在微波电磁场作用下，这些取向运动以每秒数十亿的频率不断变化，造成分子的剧烈运动与碰撞摩擦，从而产生热量，达到电能直接转化为介质内的热能。微波加热原理就是由于微波的辐射引起食物内部有机分子高速摆动和剧烈的相互摩擦，产生热量使食物在很短的时间内被热熟。
（2）查找文献，确定微波炉的物理模型。
家用微波炉主要有磁控管、炉腔和电源电路三部分组成。磁控管是带偶很强磁场的电真空器件，产生大功率微波的源。炉腔包括腔体、炉门和转盘。磁控管产生的大功率微波输送到腔体，对腔体内的食品进行微波加热。炉门除取放食品外还防止微波泄漏。转盘缓缓转动，是指加热均匀。采用软件仿真时，微波炉的腔体模型为一长方体，其尺寸为：长340mm、宽330mm、高230mm，在仿真时可以用一个长的立方体作为模型。耦合炉门采用密封装置，使得微波炉在炉门关闭的时候，微波不能从微波炉内窜出来，因此，相对于微波来说，微波炉是密闭的。因此在仿真时微波炉炉壁的六个面中，除了馈微波源的面，其余五个面都是用理想导体来模拟，这五个面设置为理想导体。波导是将传输微波能量从微波源传输到炉内，这个源可以简化成在炉壁上画一块矩形片，即在仿真时，先在二维界面画一个矩形，然后设置为波端口此时它相当于一个输入电磁波的口。
（3）采用软件对微波炉和炉中被加热物体进行仿真分析。
首先对空的电磁炉建立模型，计算其中的电磁场分布，与理论结论比较一致，确定了仿真方法的正确性。然后计算了微波加热一杯水的情形，给出微波炉以及水中的电磁场和电流分布。对微波炉加热过程中的场与电流的分布有了形象的认识。
（4）解释微波加热过程中的放电和爆炸现象。
当使用微波炉加热金属容器内的食物时，微波炉内会产生火花，这是因为金属在射频或微波干燥加工中发生了放电击穿，击穿意味着产生了高频电弧或放电。高频放电等离子体正是利用了放电过程，但是干燥却要避免产生高频放电，这种高频放电损耗有用功率，烧焦产品和传送带，在烤烟中甚至会产生大面积着火。一般大气压下平行平板间在30kV/cm场强下产生击穿，可是当加热器形状出现金属尖角时，可能低于此值，甚至1kV/cm也可能产生击穿电弧。考虑到真空加工，因此击穿应研究的气压范围是从1~Pa。
当使用微波炉加热鸡蛋时，容易发生爆炸。这是因为鸡蛋的蛋白和蛋黄含有大量的水分，水是极性分子，极易吸收微波。加热时，完整的蛋壳就像一个封闭的容器，蛋壳内气体不流通，鸡蛋加热产生的热量不容易散发。而且鸡蛋黄中不仅仅含有水分，还有脂肪，以及一些类似于结缔组织的物质，而脂肪在微波中加热速度非常快，结缔组织则受热较慢，脂肪和水分受热膨胀后，受到结缔组织的束缚，当膨胀过于猛烈，结缔组织束缚不住时，结缔组织断裂，发生爆炸。蛋壳内的空气也受热膨胀，水分变成水蒸气，使容器内压力过高，也是引发爆炸的原因。
2.该研究的意义、学术价值和应用前景；学术反映。
此研究成果可以应用于《电磁场与电磁波》以及《微波技术与天线》课程的理论教学和实验教学中，形象的理解微波加热的原理、微波炉中的电磁场分布，学习ansoft仿真分析微波炉问题的步骤。
3.同预期计划和目标比较，说明存在问题与建议。
此项目采用ansoft仿真分析微波炉加热过程，得出微波炉以及被加热物体中的电磁场和电流分布，并且解释了微波加热过程中的放电现象和爆炸现象产生的原因。

负责人签字：
年 月 日

（根据窗口内容，可自行加页）
指导教师评语（主要对该项目总体执行进展情况、研究结果的学术水平与创新情况、结果的应用前景与效益；主持人及所有参加学生在研究过程中的工作态度、学识水平、实际应用能力表现等进行全面评定）：
该项目按计划进行，五位同学利用课余时间查找资料，经过大量的仿真计算，确定了微波的模型，解决了ansoft仿真分析微波炉问题的方法，最后计算出微波炉中的场分布，解释了微波加热过程中的爆炸现象，完成了项目的要求。项目组的五位同学态度认真、协调合作、刻苦学习电磁场理论知识和ansoft软件的使用方法，表现出非常强的自学能力和创新能力。

根据每位项目成员的表现，建议分别给予学分值（最高为3学分）
姓名：杜哲 3学分 ；姓名：温令云 3学分 ；姓名：张伟 3学分；
姓名：张人婕 3学分 ；姓名：曲婧 3学分。

指导教师签字：
年 月 日
学院项目指导委员会审查意见：

同意给予（最高为3学分）
姓名：杜哲 3学分 ；姓名：温令云 3学分 ；姓名：张伟 3学分；
姓名：张人婕 3学分 ；姓名：曲婧 3学分。

学院项目指导委员会主任签字： （公章）
2010年 6 月 20 日
学校项目管理委员会意见：

公章
2010年 6 月 20 日

附件：

青 岛 大 学
学生研究性学习与创新性实验项目结题报告

项 目 名 称 微波炉加热效应仿真分析
项目主持人 温令云
项目组其他成员 张伟，张人婕，曲婧，杜哲
指导教师 宗卫华
责 任 学 院 自动化工程学院
起止年月： 2009 年 9 月至 2010 年 9 月

微波加热原理是由于微波的辐射引起食物内部有机分子高速摆动和剧烈的相互摩擦，产生热量使食物在很短的时间内被热熟。本课题主要是对微波炉加热效应的仿真，应用软件来实现，即在通用的微型计算机上用Ansoft软件实现。首先是运用Ansoft软件建立模型，然后对空的微波炉仿真，基于此，再仿真带有金属材料的容器放在微波炉中，得出数据，进行计算和分析。
第1部分 微波加热的仿真
1.1 微波炉空腔的仿真

图1 微波炉结构示意图
图1为微波炉结构示意图，其中Cavity（炉腔）是一个长方体，利用Ansoft HFSS软件仿真时，可以简化成一个长方体，其尺寸为：长340mm、宽330mm、高230mm，在仿真时可以用一个长的立方体box作为模型。图中Coupling window（耦合炉门）采用抗流密封装置，使得微波炉在炉门关闭的时候，微波不能从微波炉内窜出来，因此，相对于微波来说，微波炉是密闭的。因此在仿真时微波炉炉壁的六个面中，除了馈微波源的面，其余五个面都是用理想导体来模拟，这五个面设置为Perfect conductor（理想导体）。而图中waveguide（波导）是将传输微波能量从微波源传输到炉内，这个源可以简化成在炉壁上画一块矩形片，即在仿真时，先在二维界面画一个Rectangle，然后设置为Wave port，此时它相当于一个输入电磁波的口。用作源的Rectangle要从炉壁中剪切下来，因为这个源是用作端口，并将其复制 ，最后粘贴上。
1.1.1 建立仿真模型
1. 创建新的工程
运行Ansoft HFSS 10.0，点击菜单栏中的Project 新建一个工程取名为Microwave oven，如图2。

图2 创建工程
2. 选择求解类型
选择菜单栏中的HFSS→Solution Type，然后选择Driven Modal，如图3，单击OK。

图3 选择求解类型
3. 选择模型单位
选择菜单栏中的3D Modeler→Units，然后选择mm，如图4，单击OK。

图4 设置单位
4. 创建微波炉炉腔模型
（1）经过测量和计算，确定微波炉炉腔模型的起始值和尺寸，如表3.1。
表3.1 微波炉炉腔尺寸
oven
x
y
z
Base vertex
-170mm
-165mm
0
Size
340mm
330mm
230mm

（2）选择菜单栏中的draw→box，此时起始坐标输入栏出现在页面右下角，输入坐标，如图5。按回车键后在窗口的右下角出现尺寸输入栏，根据微波炉的起始值输入数据如图6，再按回车键绘图界面出现所绘制的长方体并弹出一个窗口，如图7。

图5 输入起始坐标

图6 输入尺寸

图7 长方体命令窗口
同时，还可以用鼠标在绘图界面直接按照微波炉的尺寸确立三个点，来确定这个长方体，其中，第一个点定义矩形的起始点，第二个点确定矩形的长和宽，第三个点确定长方体的高度。
（3） 选择窗口中的Attribute,更改性质。在Name行更改名字为oven，Material行选择材料为vacuum，Color行选择颜色为蓝色，Transparent行选择透明度为0，如图8，单击确定。

图8 长方体性质窗口
（4） 此时，由于画出的长方体尺寸太大，页面不能够显示出整个长方体。为使整个长方体显示出来，选择菜单栏中的View→Fit all→All views。
5. 创建微波炉炉门模型
（1）经过测量和计算，确定微波炉炉门模型的起始值和尺寸，如表3.2。
表3.2 微波炉炉门尺寸
OvenWall
x
y
z
Start point
170
-165
230
Size
无
330
-230

（2）选择菜单栏中的Draw→Rectangle，此时起始坐标输入栏出现在页面右下角，输入坐标。按回车键后在窗口的右下角出现尺寸输入栏，根据微波炉炉门的起始值输入数据，在按回车键绘图界面出现所绘制的长方体并弹出一个窗口，如图9。

图9 OvenWall命令窗口
同时，还可以选择菜单栏中的3D Modeler→Grid Plane，然后选择YZ，再用鼠标在绘图界面直接按照微波炉炉门的尺寸确立两个点，来确定这个长方体，其中，第一个点定义矩形的起始点，第二个点确定矩形的长和宽。
（3）选择窗口中的Attribute,更改性质。在Name行更改名字为OvenWall，Color行选择颜色为蓝色，Transparent行选择透明度为0，如图10，单击确定。

图10 OvenWall性质窗口
6. 创建微波源模型
（1）经过测量和计算，确定微波源模型的起始值和尺寸，如表3.3。
表3.3 微波源尺寸
Waveportl
x
y
z
Start point
170
-80
75
Size
无
80
80

（2）选择菜单栏中的Draw→Rectangle，此时起始坐标输入栏出现在页面右下角，输入坐标。按回车键后在窗口的右下角出现尺寸输入栏，根据微波炉炉门的起始值输入数据，在按回车键绘图界面出现所绘制的长方体并弹出一个窗口，如图11。

图11 Waveport命令窗口
同时，还可以选择菜单栏中的3D Modeler→Grid Plane，然后选择YZ，再用鼠标在绘图界面直接按照微波炉炉门的尺寸确立两个点，来确定这个长方体，其中，第一个点定义矩形的起始点，第二个点确定矩形的长和宽。
（3）选择窗口中的Attribute,更改性质。在Name行更改名字为Waveport，Color行选择颜色为绿色，Transparent行选择透明度为0，如图12，单击确定。

图12 Waveport 性质窗口
7. 剪切出微波源入口，设置激励源
同时选中OvenWall面和Waveport面，选择菜单栏中的3D Modeler→Boolean→Subtract objects，出现对话框，移动对话框里的内容，是Blank Parts下的内容为OvenWall，Tool Parts下的内容为Waveport，并且备份Waveport，如图13，单击OK。

图13 剪切窗口
8. 设置边界条件及激励
选择菜单栏中的Edit→Select→Faces，选中Oven中除OvenWall所在面的其余五个面，选择菜单栏中的HFSS→Boundaries→Assign→Perfect E，出现对话框，重命名为PerfE1_wall，如图14，单击OK。选中OvenWall，单击菜单栏中的HFSS→Boundaries→Assign→Perfect E，出现对话框，重命名为PerfE1_wall1，单击ＯＫ。选中Waveport，单击菜单栏中的HFSS→Excitations→Assign→Wave Port，出现对话框，重命名为Waveport1，单击OK。

图14 边界设置窗口
9. 设置求解频率及扫描
选择菜单栏中的HFSS→Analysis Setup→Add Solution Setup，出现对话框，重命名（Setup Name）为fq2p4，求解频率（Solution）为2.4GHz，Maximum Number of Passes设为15，Maximum Delta S设为0.01，如图15，单击确定。

图15 求解频率及扫描操作设置窗口
10. 检查当前工程的有效性级求解当前工程
选择菜单栏中的HFSS→Validation Check，或点击按钮，出现对话框如图16，单击Close。然后选择菜单栏中的HFSS→Analyze All，或点击按钮，进行仿真。

图16 运行检测结果
1.1.2 仿真结果分析
选择菜单栏中的HFSS→Fields→Fields→E→Mag_E，出现对话框，Quantity处选择Mag_E，In Volume处选择All，如图17，单击Done，结果如图18。

图17 绘制立体图窗口

图18 微波炉内部电场强度分布图
1.2 微波炉加热水的仿真
1.2.1 建立仿真模型
1.创建新的工程
运行Ansoft HFSS 10.0，HFSS软件自动生成工程project1和HFSS设计HFSSDesign1，然后将project1重命名为OvenWater。
2.选择求解类型：
选择菜单栏中的HFSS→Solution Type，然后选择Driven Modal，单击OK。
3.选择模型单位
选择菜单栏中的3D Modeler→Units，然后选择mm，单击OK。
4.创建微波炉炉腔模型
选择菜单栏中的draw→box，此时起始坐标输入栏出现在页面右下角，按照表3.1输入坐标，按回车键后在窗口的右下角出现尺寸输入栏，根据微波炉的起始值输入数据，按回车键绘图界面出现所绘制的长方体并弹出一个窗口。
选择窗口中的Attribute,更改性质。在Name行更改名字为oven，Material行选择材料为Not Assigned，Color行选择颜色为蓝色，Transparent行选择透明度为0.89，单击确定。此时，由于画出的长方体尺寸太大，页面不能够显示出整个长方体。为使整个长方体显示出来，选择菜单栏中的View→Fit all→All views。
5.创建水杯模型
（1）水柱体的中心值和尺寸，如表3.4。

表3.4 水柱体尺寸
Water
x
y
z
Certer Position
0
0
10mm
Size
35mm
无
100mm

（2） 选择菜单栏中的Draw→Cylinder，此时中心坐标输入栏出现在页面右下角，输入坐标。按回车键后在窗口的右下角出现尺寸输入栏，根据水柱体的起始值输入数据，再按回车键绘图界面出现所绘制的圆柱体并弹出一个窗口，如图19。

图19 圆柱体命令窗口
（3） 选择窗口中的Attribute,更改性质。在Name行更改名字为Water，Material行为Not Assigned，Color行选择颜色为浅绿，Transparent行选择透明度为0，如图20，单击确定。
0
图20 圆柱体性质窗口
6.创建微波炉炉门模型
选择菜单栏中的draw→Rectangle，此时起始坐标输入栏出现在页面右下角，根据表3.2输入坐标。按回车键后在窗口的右下角出现尺寸输入栏，根据微波炉炉门的起始值输入数据，再按回车键绘图界面出现所绘制的长方体并弹出一个窗口。
选择窗口中的Attribute,更改性质。在Name行更改名字为OvenWall，Color行选择颜色为蓝色，Transparent行选择透明度为0.92，单击确定。
7.创建微波源模型
选择菜单栏中的draw→box，此时起始坐标输入栏出现在页面右下角，根据表3.3输入坐标。按回车键后在窗口的右下角出现尺寸输入栏，根据微波炉炉门的起始值输入数据，在按回车键绘图界面出现所绘制的长方体并弹出一个窗口。
选择窗口中的Attribute,更改性质。在Name行更改名字为Waveport，Color行选择颜色为绿色，Transparent行选择透明度为0，单击确定。
8.剪切出微波源入口，设置激励源
同时选中OvenWall面和Waveport面，选择菜单栏中的3D Modeler→Boolean→Subtract objects，出现对话框，移动对话框里的内容，是Blank Parts下的内容为OvenWall，Tool Parts下的内容为Waveport，并且备份Waveport，单击OK。
9.设置边界条件及激励
选择菜单栏中的Edit→Select→Faces，选中Oven中除OvenWall所在面的其余五个面，选择菜单栏中的HFSS→Boundaries→Assign→Perfect E，出现对话框，重命名为PerfE1_wall单击OK。选中OvenWall，单击菜单栏中的HFSS→Boundaries→Assign→Perfect E，出现对话框，重命名为PerfE1_wall1，单击ＯＫ。选中Waveport，单击菜单栏中的HFSS→Excitations→Assign→Wave Port，出现对话框，重命名为Waveport1，单击OK。
10.设置求解频率及扫描
选择菜单栏中的HFSS→Analysis Setup→Add Solution Setup，出现对话框，重命名（Setup Name）为fq2p4，求解频率（Solution）为2.4GHz，Maximum Number of Passes设为15，Maximum Delta S设为0.01，单击确定。
11.检查当前工程的有效性及求解当前工程
选择菜单栏中的HFSS→Validation Check，或点击按钮，出现对话框，单击Close。然后选择菜单栏中的HFSS→Analyze All，或点击按钮，进行仿真。
1.2.2 仿真结果分析
选择菜单栏中的HFSS→Fields→Fields→E→Mag_E，出现对话框，Quantity处选择Mag_E，In Volume处选择All，单击Done，出现立体方向图，如图21,3.22。

图21 水中电场强度分布正面图

图22 水中电场强度分布侧面图

图23 水中电流矢量分布图

第2部分 微波炉加热现象的解释
当使用微波炉加热金属容器内的食物时，微波炉内会产生火花，这是因为金属在射频或微波干燥加工中发生了放电击穿，击穿意味着产生了高频电弧或放电。高频放电等离子体正是利用了放电过程，但是干燥却要避免产生高频放电，这种高频放电损耗有用功率，烧焦产品和传送带，在烤烟中甚至会产生大面积着火。一般大气压下平行平板间在30kV/cm场强下产生击穿，可是当加热器形状出现金属尖角时，可能低于此值，甚至1kV/cm也可能产生击穿电弧。考虑到真空加工，因此击穿应研究的气压范围是从1~Pa。
高频放电和微波放电，由于压力、类型和放电器的不同而产生差异，但考虑他们的共同因素，即电子密度必须满足放电产生的电子要等于扩散到器壁损耗的电子。或者说外高频电场交给电子的能量，能补偿碰撞（包括电力碰撞）损失的能量，这可由连续性方程

描述。与表示所有电子与原子和分子碰撞的总和，表示每秒产生的电荷数，表示每秒损耗的。是外致电离因素，如宇宙线等造成的电离率。在13~4000Pa的压力下，也就是在假定电子振荡自由域远小于容器尺寸，碰撞频率甚大于工作频率，主要的损耗是电荷向器壁的扩散，空间负荷很小，电子密度不是很大时，连续性方程变为

是每个电子的电离率，是电子扩散系数，由此可得到扩散控制的击穿放电条件，即，

对一个平行平板电极的简单情形，坐标原点在间隙的中间，当处为零，可得上式的解

击穿放电时，可认为变得很大，此时应有0，即
或
下标表示击穿时的量，称为特征扩散长度，对一个圆柱腔，半径为，高为，特征扩散长度

表示了击穿时，每个电子的电离率。
高频和微波加热很少用于液体流动区间的干燥，这一般由常规加热去做。常熟干燥速率区间是常规与微波干燥都在使用的范围。而下降干燥速率区间则是微波加热唯一使用的范围。此时材料中一些残留的自由水和疏松的束缚水可在微波加热中快速排出，其限制是材料内部所能忍受的最大蒸汽压力。对一些高密度、少孔、易碎材料、过度的微波能量吸收，造成内部水分的沸腾，极高的内部蒸汽压会使材料爆裂或损坏，但是某些食品膨化过程又正利用了这一点，制成了松脆可口的食品。
但干燥时间达到干燥期的末端，材料中只留下结合较紧的束缚水或结晶水，这些束缚水峰不在微波范围，微波加热去除它们极为困难，代之而来的是不均匀加热。材料的某些区域由于过热会有温度的剧烈上升。
当使用微波炉加热鸡蛋时，容易发生爆炸。这是因为鸡蛋的蛋白和蛋黄含有大量的水分，水是极性分子，极易吸收微波。加热时，完整的蛋壳就像一个封闭的容器，蛋壳内气体不流通，鸡蛋加热产生的热量不容易散发。而且鸡蛋黄中不仅仅含有水分，还有脂肪，以及一些类似于结缔组织的物质，而脂肪在微波中加热速度非常快，结缔组织则受热较慢，脂肪和水分受热膨胀后，受到结缔组织的束缚，当膨胀过于猛烈，结缔组织束缚不住时，结缔组织断裂，发生爆炸。蛋壳内的空气也受热膨胀，水分变成水蒸气，使容器内压力过高，也是引发爆炸的原因。