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1、沥青路面微波热再生实验系统及仿真优化———吴金花史金飞朱松青等1113沥青路面微波热再生实验系统及仿真优化121,21吴金花史金飞朱松青张志胜(12东南大学南京211189)(徐州师范大学徐州221008)摘要为了提高微波辐射加热沥青混合料的能量利用率,根据矩形波导传输和广义传输线相关理论,分别建立了磁控管最佳安装位置及加热器离地面最佳辐射高度模型,利用IE3D进行仿真分析和参数优化,优化结果显示可使反射系数减小,能量利用率提高。根据沥青路面材料在微波作用下的特性设计了一种加热器并进行了实验,结果发现沥青料温升增大,仿真结果和实验结果相吻合,验证了模型的正
2、确性和优化的可靠性。关键词微波加热;辐射加热器;实验模型;IE3D仿真中图分类号:U491.23文献标志码:A将微波加热应用到沥青路面热再生上是一个一经激励,则磁控管探头与激励腔波导短路面之[1]新兴的研究方向。微波加热与传统加热不间的波导段,形成了驻波场分布,如图1所示。该[223]同,不需要外部热源,而通过向被加热材料内处向波导短接面方向看的输入阻抗记为Zin(d),部辐射微波电磁场,推动其可动粒子运动,使之相其表达式为:互碰撞摩擦而生热。沥青路面材料在微波能作用Zin(d)=jZctan(βz)=jZctanβ(d)(1)1/2下,聚集料会产生热量并
3、将热传给沥青料,只要有εμσ2式中:β=ω1++1为微波的相微波产生,这种发热过程就会持续下去。因为微2ωε波辐射式加热方法具有能量集中、散发少、加热速移常数;Zc为电磁波从激励腔波导短路面向激励度快的特点,所以优化设计出适合微波辐射加热口传输的横坐标,即激励腔波导短路面处z=0,沥青料的实验参数意义重大。文中的辐射加热器激励口处z=d;Zc为磁控管探头与激励腔波导由折转后的矩形波导和变形的角锥喇叭组合构短路面之间的波导等效为传输线后的特性阻抗。成,结构尺寸突变小,使得沿线特性阻抗变化平若将磁控管探头截面向沥青料方向看的传输部分′缓,减少了驻波比,提高了能
4、量利用率。同时波导特性阻抗定义为Z,则对磁控管探头,其负载阻的折转和变形角锥喇叭特定角度的设计使得电磁抗为′波经过多次放射后入射到沥青路面上,提高了加Zin(d)ZZ=′=热的均匀性。由于辐射加热器内场和辐射场的分Zin(d)+Z′布较复杂[4],所以很难定性对其进行计算设计,本jZcZtan(βd)′(2)jZctan(βd)+Z文借助理论分析和建立的数学模型,利用IE3D该处反射系数为:电磁仿真软件对相应参数仿真优化,进行辅助设Z-Zs计,并加以实验验证。Г(d)=(3)Z+Zs最佳辐射位置模型辐射加热器由折转后的矩形波导和变形的角锥喇叭组成,微波能由
5、频率为2450MHz(波长为122.4mm)磁控管输出。用磁控管激励波导时,激励口不应切断波导壁上的电流线,应平行于电流线,则激励口应选在波导宽壁中心线处。波导收稿日期:2008203220图1短路面上驻波的电压、电流幅值及阻抗分布3江苏省科技成果转化资金项目(批准号:BA2006068)资助式中:Zs为磁控管探头的内阻,为提高功率耦合112交通与计算机2008年第3期第26卷总142期效率,Г(d)越小越好,即磁控管探头的内阻Zs应达到理想的加热效果。与其负载阻抗Z相匹配。根据微波网络理论分析,设计的微波辐射加热沥青混合料系统,磁控管激励口是1端口,S1
6、1为1端口接电源,其余端口接匹配负载时,1端口自身的电压反射系数,即在激励口位置处,S11=Г(d)。为此可得出结论1:图2微波源阻抗匹配简图磁控管安装距离d影响着辐射加热器的能量利用率,能量利用率越高,S11越小,即d的大小与实验参数的仿真优化S11参数有关。本文先对原有加热系统进行建模仿真,结果最佳辐射高度模型显示S11参数在各频率点上过大,使得微波能未被沥青料充分吸收而产生温升。为使优化后的加热由微波源、辐射加热器和沥青路面材料组成系统S11参数小,能量利用率高,先从理论出发,为的加热系统,若能实现微波源和负载端的阻抗匹仿真优化提供了理论依据。软件采
7、用Zeland公配,则可大大降低微波的反射,进而提高功率耦合司开发的一种基于矩量法的电磁场仿真工具效率。据广义传输线理论将该系统进行简化,并[5]IE3D,该软件可以解决多层介质环境下三维金将加热器和喇叭口距沥青路面间高为h的自由空属结构的电流分布问题,仿真结果包括S、y、Z参气等效为2段特性阻抗不同的传输线,沥青路面数、VSWR、RLC等效电路、电流分布、近场分布材料为终端负载,研究微波源的阻抗匹配问题,简和辐射方向图、方向性、效率和RCS等。将其应化后的等效电路如图2所示。从加热器辐射口面用于该加热系统的辅助优化设计既能克服建立加B向负载方向看去的输入
8、阻抗为热模型的繁琐和不准确性,又能提高开发速度。Z0+jη0tan
