一种改善微波炉加热均匀性的优化仿真分析方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN113946999A(43)申请公布日2022.01.18(21)申请号202111243100.3(22)申请日2021.10.25(71)申请人四川大学地址610065四川省成都市武侯区一环路南一段24号(72)发明人杨晓庆王莹周杰(74)专利代理机构成都海成知识产权代理事务所(普通合伙)51357代理人周敏(51)Int.Cl.G06F30/23(2020.01)G06F119/08(2020.01)权利要求书2页说明书6页附图3页(54)发明名称一种改善微波炉加热均匀性的优化仿真分析方法(57)摘要本发明公开了一种改善微波炉加热均匀性的优化仿真分析方法，首先建立微波炉的几何模型；并定义了在几何区域的控制方程和边界约束方程，将离散的边界网格节点作为优化设计参数，使用运动网格方程式来计算变形域内的更新节点位置，通过反复迭代得到微波炉的边界位置，形成新的微波炉结构。利用有限元法求解电磁场的偏微分方程，再通过耦合传热模型得到温度场，验证了该方法得可行性。本发明方法能够使微波加热得能量分布更加均匀，有效避免微波加热食品过程中的过热效应，验证了改变微波炉形状结构来提高加热均匀性的可行性，为进一步研发微波炉的形状提供可靠依据和有效数据。CN113946999ACN113946999A权利要求书1/2页1.一种改善微波炉加热均匀性的优化仿真分析方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)建立微波炉有限元模型在有限元分析软件中绘制微波炉二维初始几何模型，包括波导、微波腔体、加热盘、被加热物体，定义和确定被加热物体、加热盘以及微波腔体内介质空气的电磁特性参数，对建立的微波炉初始几何模型进行网格划分；(2)定义微波炉几何模型网格区域的控制方程其中，E为电场强度，k0自由空间的波什、μr为相对磁导率，εr为相对介电常数，ε0为真空中的介电常数，σ为电导率，ω为角频率，j为虚数；通过求解上述麦克斯韦波动方程，可以得到微波腔内的电场分布；(3)定义形状优化的目标函数和约束条件s.t.:‑dmax≤d≤dmax其中，Qe表示被加热物体的吸收功率密度，Ω表示可优化域，d表示边界网格移动位移，Qei表示加热物体各个区域的吸收功率密度；表示加热物体的平均吸收功率密度；协方差COV用来描述加热的均匀性；以COV作为目标函数，优化求解其最小值，采用移动渐近线方法(MMA)求解器进行运算；(4)求解优化微波炉中电磁场分布(4.1)初始化，对步骤(1)得到的微波炉有限元模型进行初始化，将离散的边界网格节点作为优化设计参数，边界的网格节点位置在优化过程中需要不断进行更新；(4.2)电磁场分布计算，利用有限元法求解步骤(2)所述控制方程获得当前迭代微波腔的电磁场分布；(4.3)判断是否达到设定优化目标或最大迭代次数，若达到设定优化目标或最大迭代次数，得到微波炉的边界位置，任务完成；若没有达到，在当前边界网格的基础上增加迭代次数，作为下一个优化的初始值，继续以下步骤；(4.4)网格移动，在当前微波腔边界网格节点位移的基础上，使用具有正常速度边界条件的运动网格方程式来计算设计域内的更新网格节点位置，获取新的网格节点位移值加载到网格上，完成网格移动，再重复进行(4.2)步骤。2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，步骤(1)中对建立的微波炉初始几何模型进行网格划分的原则是网格尺寸不大于工作波长的六分之一。2CN113946999A权利要求书2/2页3.根据权利要求2所述方法，其特征在于，网格划分所得网格单元为三角形单元或四边形单元，在加热物体处通过设置最大网格尺寸来适当加密网格。4.根据权利要求1所述方法，其特征在于，步骤(1)采用COMSOLMultiphysics软件进行微波炉二维初始几何模型的仿真计算。5.根据权利要求1所述方法，其特征在于，步骤(4.4)中采在COMSOLMultiphysics中ALE模块进行网格移动设置，即采用任意拉格朗日欧拉法完成网格移动。6.根据权利要求1所述方法，其特征在于，步骤(4.4)中采用拉普拉斯平滑法来计算设计域内的更新网格节点位置；在形状优化每次迭代过程中，采用位移滤波方法来改善自由变形边界的非光滑性。7.根据权利要求6所述方法，其特征在于，步骤(4.4)在形状优化每次迭代过程中，采用易于用有限元软件实现，且滤波计算效率高的亥姆霍兹型偏微分方程滤波器来改善自由变形边界的非光滑性。3CN113946999A说明书1/6页一种改善微波炉加热均匀性的优化仿真分析方法技术领域[0001]本发明属于计算机数据处理技术领域，具体涉及一种应用于微波炉的微波场均匀性分布改善的数值优化仿真分析方法。背景技术[0002]随着社会进步和微波能利用技术的发展，微波炉的使用越来越普及