水合物样品制备用微波加热装置的设计与仿真分析

摘要：Christine Ecker博士提出悬浮态水合物的概念后，在学术界得到了广泛的引用，但是至今并没有确凿的野外观测证据和室内实验证明。罗永江等人提出了采用微波加热的方法在实验室制取悬浮态水合物样品的方法。文章介绍了采用微波加热方法制取悬浮态水合物所需的微波加热装置的结构设计及采用HFSS软件对装置加热均匀性的数值仿真与试验研究。

关键词：悬浮态水合物；微波加热装置；HFSS仿真

中图分类号：TE81 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）20-0022-04

随着经济社会的高速发展，人类对能源资源的依赖程度急剧加大，但常规化石能源的已探明储量与社会需求量存在较大差距，能源危机深入人心。在世界各国相继投入新能源和可再生能源的开发与利用研究中，天然气水合物因其具有储量大、能量密度高、清洁无污染而受到各国的重视，并开展了大量的基础理论研究与勘探开发工作。但由于天然气水合物对储层条件的特殊要求和对水合物储存地层的不完全研究，对天然气水合物的开发利用尚处于初级阶段。因此，要安全、高效地开发利用天然水合物能源资源，还需进行大量相关领域的研究工作。

1998年，Stanford University的Christine Ecker在其博士论文中提出天然气水合物在地层中赋存的三种状态模型，即悬浮态、接触态、胶结态模型，并建立了三种模型中弹性波速与水合物饱和度等参数之间关系的数学表达式，并得到学术界广泛认可和引用，但是至今并没有确凿的野外观测证据和室内实验证明。罗永江等人提出了采用微波加热法作为制备悬浮态水合物样品的前期处理手段，利用微波加热具有高效性、穿透性和选择性的特点，在多孔介质孔隙中制备均匀分布的冰颗粒。因此，微波加热装置是该方法中的关键设备。本文介绍了专门设计用于悬浮态水合物样品制备的微波加热装置的结构设计，并采用HFSS高频仿真软对微波加热装置中样品内电磁场分布进行了探索，最后采用试验方法研究了微波装置对样品加热均匀性情况。

1 微波加热装置结构

采用微波加热的方法制取在多孔介质中具有孔隙冰分布的样品要求主要有两点，分别是快速加热和均匀加热。快速加热要求微波加热装置具有足够的功率，使加热样品的时间较短，因为在短时间内加热样品，由热传递导致的热量扩散较小，可以比较准确地控制样品内化冰的量；均匀加热可以使样品内冰颗粒的分布较为均匀，是提出该思路根本目的。考察现有的各类微波加热装置中，微波加热的均匀性仍是一个业界的难题，科研人员投入了大量的精力用于解决该问题。在考察了现有国内外各类微波加热装置后认为，现有的微波加热装置不能满足本次试验要求，需研制适合本试验需求的微波加热装置。

所设计的微波加热系统主要由电源供电系统，微波发生器，微波传输系统、馈口调节机构和微波防护装置组成。电源供电系统主要由变压器和高压电容组成，为系统提供稳定高压电源；微波发生器是产生连续微波源的部件；微波传输系统可将微波发生器产生的微波能传导至加热材料处；磁控管调节机构用于调节各磁控管的相对位置和波导口与样品之间的距离，调节样品内部电场分布；微波防护装置采用吸波材料吸收装置泄露的微波能，防止微波泄漏对试验人员造成伤害。

1.水平轨道；2.磁控管固定架；3.竖直轨道；4.定位螺钉；5.竖直定位块；6.定位螺钉；7.轨道连接块；8.水平滑块；9.水平轨道；10.底板

图1 磁控管调节机构滑道示意图

图1是磁控管调节机构滑道示意图，调节机构由水平滑道和竖直滑道组成，磁控管固定在固定架上，能够实现水平方向距样品管距离的调节和竖直方向磁控管之间相对位置的调节功能。图2是微波加热装置实物照片。装置由6套调节机构呈圆周布置，被加热样品放置于圆心位置的转盘上，由一低速交流电机以同一速度旋转加热，使样品加热均匀性更好。试验过程中，可通过调节波导口距样品管的距离与磁控管之间的相对位置和工作的磁控管数量来调节样品内电场分布，改善样品加热均匀性。

图2 磁控管可调行波加热装置

2 HFSS模拟分析与试验研究

2.1 数值模型

HFSS是由Ansoft公司推出的一款全波三维电磁场仿真软件，软件采用的是有限元法，具有较高的计算精度，被认为是高频电磁场分析和设计的工业标准。HFSS用户界面简洁，具有较精确的自适应场求解器和强大的电磁场后处理器，被广泛用于射频和微波器件设计，电真空器件设计，天线、天线罩及天线阵设计仿真，高速互连结构设计，光电器件仿真设计等高频电磁场的分析设计中。可计算显示电压驻波比、传播常数和端口阻抗、S、Y、Z等参数矩阵、电磁场场强分布和电流分布等参数。论文采用HFSS软件对样品内电场分布情况进行了可视化仿真分析。

图3 6个磁控管工作数值模型

分析变量为同时工作磁控管数量n和波导口距样品管距离d以及磁控管不同排列方式k。根据实际微波加热装置情况，设定磁控管数量n分别为6个、7个、8个、9个，波导口距样品管距离d分别为0cm、3cm、6cm、9cm、12cm，当n=6时，k有三种排列方式，n=7和n=8时有两种排列方式，n=9时有1种排列方式，各类不同排列情况如图4所示。因此，三个参数的排列组合总共有40个数值模型。

图4 不同磁控管排列方式

2.2 数值模拟结论

图5 n=6时样品内电场分布云图

数值模型网格划分采用HFSS自适应网格划分，激励频率为2.45GHz，单个激励功率为1.5kW。在微波加热过程中，样品内的电场分布情况可以间接反映样品加热时温度分布情况，样品内电场强度与可转化能量之间的关系为：

P=2πε0εE2ftanδ

式中：

ε0――真空介电常数

ε――材料的相对介电常数

δ――材料的正确损耗角

图5是模拟6个磁控管对样品进行加热时，不同磁控管排布方式和不同波导口距样品管距离情况下，样品内的电场分布情况。由图5可知：

（1）在一类排布情况下，样品中心电场强度高于周围电场强度。波导口距样品管样品0cm时，强电场集中点分布于整个样品内；在距离为3cm时，顶端和底部电场较强，其中最强电场出现在下端部分，中偏上部分电场较弱；在5个距离参数中，9cm时强电场集中点较少，电场分布相对比较均匀。

（2）采用二类排布方式时，波导口距样品管6cm情况下电场分布最均匀，并且样品内最大电场强度最小，因此，可以断定在该条件下加热样品时，样品内温度分布均匀性应该比较好；在距离为0cm时电场分布最不均匀，强电场集中点主要出现在样品中下部区域。

（3）在波导口距样品管样品3cm、6cm和9cm时样品内电场分布相对比较均匀，尤其是在9cm情况下，最大电场强度值最小，因此可预测在该种情况下样品，对样品进行加热样品内温度分布均匀性相对其他4种情况较好；在距离为0cm时，强电场区域主要集中在样品的中心轴线上；在距离为12cm时，强电场区域主要集中在样品顶部中心处。

图6是模拟7个磁控管对样品进行加热时，不同磁控管排布方式和不同波导口距样品管距离情况下，样品内的电场分布情况。由图6可知：

图6 n=7时样品内电场分布云图

（1）在一类排列方式时，5种距离情况下，样品中心电场强度均高于样品周围；波导口距样品管12cm时，样品内部强场集中点较少且基本集中在中心轴线上；在距离0cm和3cm时，样品上部强电场区域较为集中；6cm时样品内电场分布相较于其他距离较为均匀。

（2）在二类排列方式时，除距离为6cm出现电场高于其他排布时，随着距离的增加，样品内电场强度减小，样品内电场分布趋于均匀，整体呈现中心区域场强大于周围；距离为3cm时，样品上部电场强度较高，可预测在加热时，上部温度可能较高；从云图分布来看，在距离为9cm和12cm时，样品内部电场强度分布相对比较均匀。

图7是模拟8个磁控管对样品进行加热时，不同磁控管排布方式和不同波导口距样品管距离情况下，样品内的电场分布情况。由图7可知：

图7 n=8时样品内电场分布云图

（1）在一类排布时，波导口距样品管距离为6cm时，样品内场强较小，强电场集中区域较少，可预测在该距离下加热样品时，样品内温度分布比较均匀。

（2）在二类排布时，样品在6cm和9cm时内部电场分布均匀性比较差；在12cm时分布均匀性较好；在距离0cm时，样品内电场场强较小；在该距离下加热样品可能出现升温速率较慢的问题。

图8是模拟9个磁控管对样品进行加热时，不同磁控管排布方式和不同波导口距样品管距离情况下，样品内的电场分布情况。由图8可知：在距离3cm时，样品下部中心轴线上出现强场区域，可预知在该条件下，样品下部中心温度高于上部温度；在距离9cm时，样品内电场分布比较均匀，但相比较于12cm时的云图，9cm时整体电场强度较大，所以，在采用九磁控管加热时可能在12cm情况下温度分布均匀性好于9cm。

图8 n=9时样品内电场分布云图

3 结语

通过采用高频电磁场仿真软件HFSS对使用所设计的微波加热装对样品进行加热时样品内的电场分布情况进行了模拟仿真分析，分析表明：

（1）通过调节波导口距样品管的距离和磁控管的排列方式可以调整样品内电场分布情况，适当的距离和朴烈方式情况下可得到较均匀的电场分布。

（2）采用所涉及的微波加热装置对样品进行加热时，如样品采用单一吸波材料情况下，样品中心温度高于样品周围温度。

参考文献

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作者简介：李莉佳（1991―），女，黑龙江大庆人，吉林大学建设工程学院本科学生，研究方向：勘查技术与工程。