油頁巖高頻多場對流法加熱特性數值模擬研究

呂永亮

摘 要：油頁巖、天然氣水合物等新興能源被視作未來的高效清潔能源而受到全世界關注，而受開采難度、測井技術等相關技術屏障的限制，至今仍難以取得原位高保真樣品開展相關屬性室內研究。為了提高樣品分析精確度，本文采用高頻多場對流加熱法制備模擬樣品，并對樣品均勻加熱特性進行了數值模擬技術研究。研究結果表明，激勵端口數目越多，樣品管內產生的最大電場強度越大，達到的加熱均勻性也越好，激勵端口數目為9時，加熱均勻性達到24.5%；當激勵端口與樣品管之間的距離為15mm時，加熱均勻性最好，達到36.9%。

關鍵詞：高頻對流 數值模擬 加熱特性 均勻性

中圖分類號：P618 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）07（b）-0028-02

高頻對流加熱是引進于日本的國際先進技術，主要在難干木材、大斷面難干材干燥等方面發揮重要作用[1-3]。隨著該技術的不斷發展，國內一些科研院所、高校及部分高科技企業將其應用于特殊樣品的均勻加熱[4]。而天然氣水合物、油頁巖等國家新能源研究過程中，常常需要開展形態演變、物性參數等基礎研究，故而需要在實驗室制備形態相近、物性相似的模擬樣品，以開展相關樣品屬性參數的室內研究。在油頁巖模擬樣品的加熱過程中，由于常用的高壓工頻電加熱法很難控制試驗過程中的樣品溫度，且溫度分布不均，難以測量油頁巖樣品的平均溫度與變化[5，6]。因此，亟待提出新的樣品均勻加熱方法與技術，以提高實驗樣品屬性參數測量的準確性。

1 高頻對流加熱特性數值模擬

本文以微波高頻對流加熱法為基礎，利用麥克斯韋方程組，使用高頻模擬軟件Ansoft HFSS實現對實驗樣品的模擬加熱，通過控制微波激勵端口的數目、改變激勵功率、調節端口與樣品端面之間的距離以及改變微波場激勵端口間的角度來實現微波場的均勻，從而開展高頻對流加熱特性數值模擬研究，以達到人工樣品的模擬均勻加熱。建立的微波高頻對流均勻加熱裝置數理模型如圖1所示。

2 樣品受熱特性影響因素分析

2.1 激勵端口數目對加熱均勻性的影響

如表1所示，不同的激勵端口數目具有不同的加熱均勻性和最大電場強度。隨著激勵端口數目的增加，最大（平均）電場強度依次增加，加熱均勻性也隨著增大。

2.2 激勵端口與樣品管之間的距離對加熱均勻性的影響

本次數值模擬計算共建立具有五種不同距離的樣品管加熱模型，其到激勵端口的距離分別為15mm，20mm，25mm，30mm和35mm，模擬的結果顯示，激勵端口與樣品管之間的距離越近，引起樣品管近端溫度快速增加而其它部位的樣品溫度增加緩慢，從而導致樣品管加熱的不均勻性。當距離較遠時，容易造成電磁波的大量散射和損耗，引起樣品管整體升溫緩慢，導致樣品加熱時間過長，不利于快速加熱樣品管內的模擬樣品。

如表2所示，當激勵端口與樣品管之間的距離為15mm時，加熱均勻性最好，達到36.9%，而且電場強度能夠達到78.8。隨著距離的增加，加熱均勻性發生不規則改變，最大電場強度也跟著發生不規律的改變。由此可見，一定的激勵端口與樣品管之間的距離能夠有效提高微波場加熱的均勻性，有利于模擬樣品的均勻加熱。

3 結論

本文針對不同的激勵端口數目、激勵端口與樣品管距離、磁控管布置方式以及激勵功率等參數，開展了微波高頻對流加熱特性數值模擬研究，并得到了如下結論：

（1）激勵端口數目對微波加熱的均勻性產生了重要影響。激勵端口數目越多，樣品管內產生的最大電場強度越大，達到的加熱均勻性也越好。當激勵端口數目為9時，加熱均勻性達到24.5%。

（2）激勵端口與樣品管的距離同樣影響加熱均勻性。模擬結果顯示，激勵端口與樣品管之間的距離越近，引起樣品管近端溫度快速增加而其它部位的樣品溫度增加緩慢，從而導致樣品管加熱的不均勻性。當距離較遠時，容易造成電磁波的大量散射和損耗，引起模擬樣品整體加熱緩慢，導致樣品加熱時間過長。當激勵端口與樣品管之間的距離為15mm時，加熱均勻性最好，達到36.9%。

參考文獻

[1] 夏興華.高頻—對流聯合加熱木材干燥設備的設計與使用[D].東北林業大學，2010.

[2] 賈瀟然，趙景堯，蔡英春.鋸材高頻-對流聯合加熱干燥傳熱傳質數學模型[J].中國工程科學，2014（4）：106-112.

[3] 呂洋毅，付宗營，宋濤雲，等.高頻加熱對落葉松含髓心方材水分遷移的影響[J].安徽農業科學，2015（9）：148-151.

[4] 吳冬宇，羅永江，彭枧明，等.微波加熱輔助多孔介質水合物制樣方法與裝置[J].國防科技大學學報， 2016（2）：165-170.

[5] 楊陽.高壓—工頻電加熱原位裂解油頁巖理論與試驗研究[D].吉林大學，2014.

[6] 李廣友，馬中良，鄭家錫，等.油頁巖不同溫度原位熱解物性變化核磁共振分析[J].石油實驗地質，2016（3）：402-406.endprint