【摘要】：微波加熱技術(shù)由于其獨(dú)特的優(yōu)勢而被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域,其學(xué)科基礎(chǔ)涉及電磁理論、傳熱傳質(zhì)、電磁計算等多個學(xué)科。物料介電特性是研究物料微波熱加工問題不可缺少的特征參數(shù),等效介電特性是表征混合物料吸收微波能量的重要參數(shù),因此,顆粒型混合物料的等效介電特性研究是一項(xiàng)具有理論意義和實(shí)際應(yīng)用價值的課題。論文在綜合分析微波在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀、多模微波加熱目前面臨的主要問題,以及顆粒型混合物等效介電特性的理論研究、數(shù)值模擬研究、實(shí)驗(yàn)測量研究等研究進(jìn)展的基礎(chǔ)上,針對微波熱加工農(nóng)產(chǎn)品所涉及的基礎(chǔ)性問題進(jìn)行深入研究。主要研究工作如下:(1)從電磁理論出發(fā),綜合分析了介質(zhì)的極化機(jī)理,闡述了微波能量轉(zhuǎn)化的原理和物料介質(zhì)特性在微波熱加工物料中的作用原理,探討了物料電磁特征參數(shù)(?)、(?)、(?)、(?)、(?)在微波熱加工物料過程中的作用原理,并據(jù)此分析了理想介質(zhì)、理想導(dǎo)體、一般導(dǎo)體、極性介質(zhì)等典型介質(zhì)的吸波特性。(2)提出通過優(yōu)化微波反應(yīng)腔腔體內(nèi)壁結(jié)構(gòu)的方式,提高微波加熱效率和微波加熱均勻性的路徑和方法。分析計算了在腔體內(nèi)壁分別設(shè)置半圓柱型凸槽、凹球面、凸球面和脊形凹槽時的微波加熱效率和加熱均勻性參數(shù)指標(biāo),獲得了既能提高加熱效率、又能提高加熱均勻性的相關(guān)基本規(guī)律。模擬仿真結(jié)果表明:通過優(yōu)化腔體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)既可提高微波加熱效率,又可改善加熱的均勻性,且能抑制腔內(nèi)高電場聚集區(qū)域的形成。與常規(guī)光滑腔壁反應(yīng)腔相比,在腔體內(nèi)壁設(shè)置半圓柱型凸槽和脊型凹槽結(jié)構(gòu)裝置,能使加熱效率和均勻性獲得大幅度的提升(加熱效率的最大值達(dá)98.75%,均勻性最大提升幅度達(dá)57.54%),且最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)的分布區(qū)間相對較廣,為微波熱加工物料過程中的“熱點(diǎn)”預(yù)警和反應(yīng)器設(shè)計優(yōu)化提供了理論和技術(shù)支持。(3)提出應(yīng)用Monte Carlo(蒙特卡羅,MC)隨機(jī)模擬方法和COMSOL Multiphysics有限元計算軟件(簡稱MC-FEM方法)分析計算顆粒隨機(jī)分布混合物的等效介電特性,并通過大量數(shù)值實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了MC-FEM方法的正確性。提出了計算顆粒型二元混合物等效介電特性(等效介電常數(shù)和等效介電損耗因子)的通用MGEM修正公式(Modified General Effective Medium),并將MGEM公式計算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測量值、數(shù)值方法計算值、經(jīng)典理論公式計算值等進(jìn)行了大量實(shí)例數(shù)據(jù)比較,驗(yàn)證了MGEM公式的正確性、準(zhǔn)確性和有效性,為顆粒型農(nóng)產(chǎn)品的等效介電特性分析提供一個準(zhǔn)確性高且方便使用的計算公式。(4)運(yùn)用MC-FEM方法,分析研究了雙組分、三組分和核殼顆粒型混合物料中,各組分的空間位置、體積分?jǐn)?shù)、電導(dǎo)率、介電特性等因素對混合物等效介電特性、吸波特性和局域電場分布的影響。研究結(jié)果表明:(1)可采用球體+立方體的顆粒結(jié)構(gòu)形狀模擬橢球型顆粒(農(nóng)產(chǎn)品)物料的等效介電特性;(2)各組分物理特性、介電特性等均對混合物的等效介電特性和吸波特性有影響,會使混合物中的局域場出現(xiàn)增強(qiáng)現(xiàn)象。(5)設(shè)計了基于無校準(zhǔn)同軸傳輸/反射法的農(nóng)產(chǎn)品介電特性測量方案,以及基于MGEM公式的農(nóng)產(chǎn)品介電特性測量實(shí)施方案。實(shí)驗(yàn)測量了微波頻段下粉末狀農(nóng)(副)產(chǎn)品(馬鈴薯、三七、天麻、石斛)、菜籽顆粒(白葉莧菜、包心芥、大紅莧菜、香菜籽、白菜籽、野薺菜、油菜籽)、雜糧顆粒(黑芝麻、玉米渣粒、紫米和小米)和草籽顆粒(熟禾、白三葉、虞美人、剪股銀、狗牙根、黑心菊)等農(nóng)(副)產(chǎn)品的介電特性,擬合得到不同農(nóng)(副)產(chǎn)品的介電常數(shù)、損耗因子與微波頻率、含水率之間的數(shù)學(xué)關(guān)系式和不同農(nóng)產(chǎn)品在2.45GHz處介電特性與含水(油)率之間的數(shù)學(xué)表達(dá)式,實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果表明:室溫下,所測量農(nóng)產(chǎn)品在含水率(?)和微波頻率2.45GHz條件下的介電常數(shù)介于3.5-9之間、介電損耗因子介于0.1-3.0之間,此結(jié)論可用于預(yù)測其它農(nóng)產(chǎn)品的介電特性。同時,本文所提出的實(shí)驗(yàn)測量方案解決了傳統(tǒng)測量方法中遇到的夾具校準(zhǔn)、多樣品測量、樣品位置難以確定等問題。以上研究相關(guān)結(jié)論可為農(nóng)產(chǎn)品的微波熱加工器件設(shè)計、微波能利用效率提升和微波輔助應(yīng)用推廣提供依據(jù),相關(guān)研究結(jié)果對其它顆粒型混合物料的微波熱加工處理也同樣適用。
【學(xué)位授予單位】：云南師范大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TS205;TM924.76
【圖文】：

第 2 章 微波與物質(zhì)相互作用的機(jī)理子極化：在外電場作用下，雜亂分布的偶極子轉(zhuǎn)動到電場的方最低。就介質(zhì)整體而言，無外場時不帶極性，在外電場作用下極矩，故這種極化也叫轉(zhuǎn)向極化。極化過程變電場下，極化需要一定的建立時間，故加上或去除外電場時時間而變化，如圖 2-1 所示，位移極化強(qiáng)度P 瞬時就可建立強(qiáng)度 ( )rP t 則需要一個建立或去除的過程，極化強(qiáng)度 ( )rP t 一般可

第 3 章 腔體結(jié)構(gòu)調(diào)控對加熱效率及均勻性影響的數(shù)值仿真3.2 脊形凹槽結(jié)構(gòu)對微波反應(yīng)器加熱效率及均勻性的影響3.2.1 仿真模型在 3.1.4 節(jié)基本模型的腔體內(nèi)壁四周設(shè)置外脊形凹槽，箱式爐模型如圖 3-1所示。定義脊形凹槽的脊高為b ，脊深為d ，外脊形凹槽模型如圖 3-2 所示，計算得出脊形凹槽結(jié)構(gòu)參數(shù)對微波吸收效率和加熱均勻性的影響。

第 3 章 腔體結(jié)構(gòu)調(diào)控對加熱效率及均勻性影響的數(shù)值仿真3.2 脊形凹槽結(jié)構(gòu)對微波反應(yīng)器加熱效率及均勻性的影響3.2.1 仿真模型在 3.1.4 節(jié)基本模型的腔體內(nèi)壁四周設(shè)置外脊形凹槽，箱式爐模型如圖 3-1所示。定義脊形凹槽的脊高為b ，脊深為d ，外脊形凹槽模型如圖 3-2 所示，計算得出脊形凹槽結(jié)構(gòu)參數(shù)對微波吸收效率和加熱均勻性的影響。

本文編號：2770897