微波加热中木材内部温度场的电磁-热耦合模拟

摘要

【目的】微波加热在木材加工中已显现高效优势，但微波场强分布如何影响木材内部温度变化尚不清晰。本研究拟采用数值模拟，探究微波场分布对木材内部温度场的作用规律。【方法】基于电磁场和传热场耦合理论构建三维有限元模型，模拟不同微波功率（3.6、4.5、5.4 kW）作用下腔体电场分布特征及木材内部温度场演化规律。通过试验验证模型准确性，并采用均方根误差（RMSE）量化评估仿真精度。【结果】微波加热30 s内木材次外层与中心层温度的仿真结果和试验结果一致，两者的RMSE值随微波功率的增大而增大，次外层和中心层的RMSE值最大分别为8.1和8.8℃，表明该仿真模型准确性较高。在木材微波加热过程中，不同波导输入的微波因干涉叠加形成高、低能区域，腔壁的反射波进一步干涉强化或削弱电场，最终形成驻波效应，导致电场强度呈现空间非均匀分布。高、低能区域电磁能-热能转化效率的差异，导致木材升温速率呈现差别，表明微波场强分布模式能直接调控木材内部温度变化规律。当微波功率增大时，电场分布模式保持不变，但最大电场强度显著增强（p=0.011），木材的升温速率随之加快，表面与内部温差增大。【结论】建立的三维有限元模型可以对微波腔体中电场的强度和分布特征，以及木材的温度变化进行准确预测。本研究阐明的微波加热木材过程中电磁-热耦合机制，能够为优化木材微波加热工艺提供理论依据。

关键词

木材干燥 / 微波加热 / 数值模拟 / 电磁方程 / 传热方程 / 微波场强分布 / 温度预测

基金资助

国家重点研发计划（2023YFD2201402）