吕永亮
摘 要：油页岩、天然气水合物等新兴能源被视作未来的高效清洁能源而受到全世界关注，而受开采难度、测井技术等相关技术屏障的限制，至今仍难以取得原位高保真样品开展相关属性室内研究。为了提高样品分析精确度，本文采用高频多场对流加热法制备模拟样品，并对样品均匀加热特性进行了数值模拟技术研究。研究结果表明，激励端口数目越多，样品管内产生的最大电场强度越大，达到的加热均匀性也越好，激励端口数目为9时，加热均匀性达到24.5%；当激励端口与样品管之间的距离为15mm时，加热均匀性最好，达到36.9%。
关键词：高频对流 数值模拟 加热特性 均匀性
中图分类号：P618 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）07（b）-0028-02
高频对流加热是引进于日本的国际先进技术，主要在难干木材、大断面难干材干燥等方面发挥重要作用[1-3]。随着该技术的不断发展，国内一些科研院所、高校及部分高科技企业将其应用于特殊样品的均匀加热[4]。而天然气水合物、油页岩等国家新能源研究过程中，常常需要开展形态演变、物性参数等基础研究，故而需要在实验室制备形态相近、物性相似的模拟样品，以开展相关样品属性参数的室内研究。在油页岩模拟样品的加热过程中，由于常用的高压工频电加热法很难控制试验过程中的样品温度，且温度分布不均，难以测量油页岩样品的平均温度与变化[5，6]。因此，亟待提出新的样品均匀加热方法与技术，以提高实验样品属性参数测量的准确性。
1 高频对流加热特性数值模拟
本文以微波高频对流加热法为基础，利用麦克斯韦方程组，使用高频模拟软件Ansoft HFSS实现对实验样品的模拟加热，通过控制微波激励端口的数目、改变激励功率、调节端口与样品端面之间的距离以及改变微波场激励端口间的角度来实现微波场的均匀，从而开展高频对流加热特性数值模拟研究，以达到人工样品的模拟均匀加热。建立的微波高频对流均匀加热装置数理模型如图1所示。
2 样品受热特性影响因素分析
2.1 激励端口数目对加热均匀性的影响
如表1所示，不同的激励端口数目具有不同的加热均匀性和最大电场强度。随着激励端口数目的增加，最大（平均）电场强度依次增加，加热均匀性也随着增大。
2.2 激励端口与样品管之间的距离对加热均匀性的影响
本次数值模拟计算共建立具有五种不同距离的样品管加热模型，其到激励端口的距离分别为15mm，20mm，25mm，30mm和35mm，模拟的结果显示，激励端口与样品管之间的距离越近，引起样品管近端温度快速增加而其它部位的样品温度增加缓慢，从而导致样品管加热的不均匀性。当距离较远时，容易造成电磁波的大量散射和损耗，引起样品管整体升温缓慢，导致样品加热时间过长，不利于快速加热样品管内的模拟样品。
如表2所示，当激励端口与样品管之间的距离为15mm时，加热均匀性最好，达到36.9%，而且电场强度能够达到78.8。随着距离的增加，加热均匀性发生不规则改变，最大电场强度也跟着发生不规律的改变。由此可见，一定的激励端口与样品管之间的距离能够有效提高微波场加热的均匀性，有利于模拟样品的均匀加热。
3 结论
本文针对不同的激励端口数目、激励端口与样品管距离、磁控管布置方式以及激励功率等参数，开展了微波高频对流加热特性数值模拟研究，并得到了如下结论：
（1）激励端口数目对微波加热的均匀性产生了重要影响。激励端口数目越多，样品管内产生的最大电场强度越大，达到的加热均匀性也越好。当激励端口数目为9時，加热均匀性达到24.5%。
（2）激励端口与样品管的距离同样影响加热均匀性。模拟结果显示，激励端口与样品管之间的距离越近，引起样品管近端温度快速增加而其它部位的样品温度增加缓慢，从而导致样品管加热的不均匀性。当距离较远时，容易造成电磁波的大量散射和损耗，引起模拟样品整体加热缓慢，导致样品加热时间过长。当激励端口与样品管之间的距离为15mm时，加热均匀性最好，达到36.9%。
参考文献
[1]夏兴华.高频—对流联合加热木材干燥设备的设计与使用[D].东北林业大学，2010.
[2]贾潇然，赵景尧，蔡英春.锯材高频-对流联合加热干燥传热传质数学模型[J].中国工程科学，2014（4）：106-112.
[3]吕洋毅，付宗营，宋涛雲，等.高频加热对落叶松含髓心方材水分迁移的影响[J].安徽农业科学，2015（9）：148-151.
[4]吴冬宇，罗永江，彭枧明，等.微波加热辅助多孔介质水合物制样方法与装置[J].国防科技大学学报， 2016（2）：165-170.
[5]杨阳.高压—工频电加热原位裂解油页岩理论与试验研究[D].吉林大学，2014.
[6]李广友，马中良，郑家锡，等.油页岩不同温度原位热解物性变化核磁共振分析[J].石油实验地质，2016（3）：402-406.endprint
