Endüstriyel amaçlı bir mikrodalga fırının nümerik modellenmesi ve tasarım optimizasyonu

Abstract

Mikrodalga ısıtma, endüstride malzemelerin işlenmesinde önemli bir işleve sahiptir; fakat mikrodalga fırının tasarımı büyük çaba gerektirir. Mikrodalga fırınların tasarımı ve optimizasyonu için fırının içindeki elektrik alan dağılımının bilinmesi önemlidir. Bu elektrik alan dağılımı, genellikle bir nümerik metodun kullanılmasıyla hesaplanır. Bu tez, kayıplı bir malzeme ile yüklü bir mikrodalga fırının içindeki elektrik alan dağılımının zaman uzanımı sonlu elemanlar (TDFE) yöntemi ile hesaplanmasını sunmaktadır. Genellikle eleman kenarları veya Whitney elemanı olarak adlandırılan en düşük dereceli vektörel sonlu elemanlar, mikrodalga ısıtma sistemlerinin modernlenmesinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Fakat, hassas çözüm gerektiğinde bu elemanlar yetersiz kalmaktadır. Bu sebeple, bu tez yüksek dereceli vektörel sonlu elemanların mikrodalga ısıtma sistemlerinin modellenmesinde kullanımını sunmaktadır. Yüksek dereceli sonlu elemanlar, bizi karma ve tam dereceli eleman olarak iki tip eleman ile karşılaştırırlar. TDFE yöntemi ile hesaplanan alanın hassasiyeti elemanı aradeğerleyen vektör çatı fonksiyonların karakteristiklerine bağlıdır. Karma ve tam dereceli elemanlar için herhangi bir dereceden hiyerarşik çatı fonksiyonları Whitney formuyla uyumlu olarak ifade edilmiştir. Mikrodalga güç yoğunluğu, jeneratör-yük adaptasyonu ve resonans modları ve frekansları, bir mikrodalga ısıtma sisteminin tasarımında önemli role sahip parametrelerdir. Bu parametrelerin hesabında, karma ve tam elemanların etkinliğini elde etmek için dielektrik dilim yüklü rezonatör ve dalga kılavuzu gözönüne alınmış ve bu parametreler hesaplanmıştır. Daha sonra yöntem, bir endüstriyel çok modlu mikrodalga fırının tasarım ve optimizasyonuna uygulanmıştır.

Microwave heating plays a significant role in the processing of materials in industry, but the applicator design is required challenging effort. It's impotant to know electric field distribution inside a microwave applicator to design and optimise it. The electric field distribution is generally obtained using a numerical method. This study presents a time domain finite element (TDFE) method for predicting of the electric field distribution inside microwave applicator loaded with lossy materials. Low-order vector finite elements, often called edge elements or Whitney elements, are widely used for modelling of microwave heating systems. However, these elements are inefficient when accurate solutions are required. For this reason, this thesis presents higher vector finite elements for modelling of microwave heating systems. Higher order vector FE introduces us to two types of elements : Mixed and full order elements. The accuracy of the numerical results depends on the characteristics of the vector basis fuctions which interpolate the element. For mixed and full order elements, arbitrary order vector basis functions which compare to the Whitney vector basis function in a hierarchical fashion are expressed. The microwave power density, generator-load adaptation and resonance modes and frequencies are very important parameters in the design of microwave heating systems. To get efficiency of mixed and full order elements to calculation of these parameters, resonator and waveguide loaded with dielectric slab are chosen as test case. Finally, the finite element method is used for design and optimizing of the industrial multimode microwave oven.