一、背景介紹

微波爐是一種常用的食物加熱工具，主要是由腔室、磁控管、波導管三個部分組成。在工作過程中，磁控管產生波長約為12.2cm的微波（對應頻率2.45GHz），通過波導管注入腔室內，在腔室內產生振蕩的磁場和電場，引起食物內水分子等極性分子的快速運動，從而產生熱量，加熱食物。

圖1 微波爐示意圖

但在日常生活使用中，我們經常會碰到這樣的問題：為什么加熱后的食物第一口燙嘴，但是第二口下去卻又冷冰冰的？到底要加熱多長時間才合適？食物在微波爐內到底是從內向外加熱還是從外向內加熱？

為了解開這些疑惑，我們通過仿真分析，可以計算出食物在加熱過程中，腔室內電磁場分布情況、食物功率損耗密度分布和食物傳熱分布。基于Simdroid多物理場仿真Paas平臺開發的微波爐多物理場分析APP，可以對微波爐工作過程中食物加熱機理進行快速分析并對加熱過程進行直觀展示。

 

二、仿真APP解決方案

通過采用多物理場仿真平臺Simdroid提供的電磁－熱耦合分析功能，可以對微波加熱食物過程中電磁場分布以及食物加熱溫升過程進行同步分析計算。基于其內置的APP開發器，以無代碼化的方式便捷封裝全參數化仿真模型及仿真流程，將仿真知識、專家經驗等固化為微波爐多物理場仿真APP，可供沒有仿真經驗的使用者快速上手使用。

本文以一個功率為1kW的典型微波爐為例，介紹微波爐多物理場仿真APP的制作方法，并基于仿真APP對不同食物材料參數、不同食物大小、不同加熱時長結果進行對比和評估，揭示微波爐加熱過程中的多物理場耦合過程。

1、仿真流程搭建

1）新建高頻電磁－熱耦合多場仿真工程。

圖2 新建多物理場工程界面

2）參數化建模。建立微波爐和食物模型，將其關鍵設計尺寸參數化。

圖3 參數列表

圖4 微波爐簡化模型

3）材料參數設定。為空氣、食物、托盤定義電磁參數和熱參數。

圖5 材料設置

4）網格劃分。采用四面體網格，對食物處進行網格加密。

圖 6 網格剖分

5）邊界條件和激勵端口添加。在波導管輸入口添加波導端口，饋入1kW TE10模式的微波功率源，采用理想電導體模擬微波爐腔體金屬壁。

圖 7 邊界條件及激勵設置

6）輸出變量設置。通過場監視器選項，選擇輸出電場強度、功率損耗密度，電場強度用于展示加熱過程中的電場分布，功率損耗密度用于為熱求解器提供熱源。

圖8 設置場監視器

7）求解設置。設置求解頻率，微波爐工作頻率為2.45GHz。

圖9 分析頻率設置

8）添加熱場部件。對需要進行熱分析的組件添加熱場部件。

圖10 熱部件設置

9）添加瞬態分析。

圖11 添加瞬態熱場分析

10）設置瞬態分析求解參數。將子步周期綁定為參數t1。

圖12 求解參數設置

11）設置初始溫度為293.15K。

圖13 初始溫度設定

12）添加對流邊界。

圖14 對流邊界設置

13）添加耦合設置項，添加需要進行耦合的區域。

圖15 設置耦合區域

14）計算結果。分別查看XZ面和YZ面電場云圖切面圖以及XZ面溫度云圖切面圖。

圖16 XZ面電場切面圖

圖17 YZ面電場切面圖

圖18 XZ面溫升切面圖 

2、仿真APP封裝

基于Simdroid平臺提供的仿真APP開發環境，通過選擇和鼠標拖拽的方式搭建器件分析APP界面，將微波爐多物理場的分析過程進行封裝，開發具有尺寸設計、材料設置、仿真環境調節、設計分析求解、結果查看完整過程的一體化仿真APP，如下圖所示。

圖19 仿真APP開發環境 

3、基于仿真APP的結構設計

本仿真APP針對微波爐加熱過程進行多物理場耦合分析，可實現：

1）評估不同食物大小和材料參數下爐內電磁場分布以及各個時間點下溫升分布；

2）計算不同電磁爐結構對加熱效率的影響；

3）直觀展示微波爐加熱過程中的多物理場耦合過程。

圖20 仿真APP界面及結果

以上便是利用仿真APP對微波加熱食物過程進行分析的全過程。 

4、微波爐多物理場分析APP應用

針對微波爐加熱過程中多物理場過程分析而設計的微波爐物理場分析APP，旨在讓我們更直觀地了解使用微波爐加熱食物時，食物內部的物理變化過程。通過本APP，我們可以仿真分析不同大小、不同材質的食物加熱不同時間的溫升分布。至此，我們對本文開頭提到的幾個疑問應該已經有答案了。

下次我們在使用微波爐加熱食物之前也許可以打開我們的手機，登錄仿真APP商店Simapps，點開微波爐多物理場分析APP，設置參數、點擊計算、查看結果，就可以知道應該將加熱時間設為多久了。

立即體驗微波爐多物理場分析APP：www.simapps.com/v2/engineering-app/all/220546

 

三、仿真APP賦能每一個工業品

相較于傳統有限元仿真軟件，基于Simdroid開發的仿真APP更加靈活輕便，用戶可以零門檻低成本、跨平臺跨終端隨時隨地訪問云平臺進行仿真分析工作，提升產品研發效率。

同時，Simapps平臺也支持企業產商將仿真APP的在線計算結果界面內嵌到官方網站產品宣傳頁，或將仿真APP的二維碼植入到產品介紹手冊，為產品用戶展示產品的科學設計方式及產品性能，提供產品使用場景的仿真分析。

仿真APP賦能每一個工業品，助力企業提升產品競爭力。仿真APP賦能對接：www.simapps.com/v2/ad/app

 

四、關于Simdroid

Simdroid（中文名“伏圖”）是云道智造自主研發的通用多物理場仿真PaaS平臺，具備自主可控的隱式結構、顯式動力學、流體、熱、低頻電磁、高頻電磁、多體動力學等通用求解器，支持多物理場耦合仿真。在統一友好的環境中為仿真工作者提供前處理、求解分析和后處理工具。同時，作為仿真PaaS平臺，其內置的APP開發器支持用戶以無代碼化的方式便捷封裝參數化仿真模型及仿真流程，將仿真知識、專家經驗轉化為可復用的仿真APP。 歡迎使用 Simdroid平臺開發（定制）屬于您自己的仿真APP：www.simapps.com/v2/tool/simdroid