Dielektrik ısıtmanın FDTD metoduyla modellenmesi

Abstract

Endüstriyel mikrodalga ısıtma, kurutma ve dielektrik malzemelerin işlenmesi, mikrodalga enerjinin sağladığı avantajlar sayesinde hızla ve geniş bir sahada gelişmektedir. Mikrodalga ısıtma sürecinde, malzeme içindeki sıcaklık dağılımı güç kaynağının ürettiği elektrik alanın değeri ile Isı Transfer Denklemi’nin çözümü yapılarak elde edilmektedir. Isı transfer eşitliğinin çözümü için farklı sayısal teknikler bulunmaktadır. Bu tezde zamana bağlı Sonlu-Farklar-Zaman-Domeni (FDTD) yöntemi uygulanmıştır. Bir dalga kılavuzu içindeki dielektrik malzemenin mikrodalga ısıtması, deneysel ve sayısal olarak analiz edilmiştir. Bu amaçla malzeme olarak tuğla, motor yağı ve su seçilmiştir. Deneysel düzenek WR340 dalga kılavuzundan yayılan TE101 tek modu içermektedir. Isıtma koşullarında, malzemedeki sıcaklık değerleri sıcaklık ölçüm cihazı ile ölçülmüştür. Sayısal olarak; dalga kılavuzundaki elektromanyetizma analizi için, Maxwell Denklemleri’nin temeli Yee notasyonu olan 3 Boyutlu-FDTD yöntemi kullanılarak ayrıklaştırılması ile yapılmıştır. Dielektrik malzemenin üzerindeki sıcaklık dağılımını elde etmek için, Isı Transfer Eşitliği Crank-Nicholson şeması göz önüne alınarak 2Boyutlu-FDTD yöntemi yardımıyla ayrıklaştırılmıştır. Kılavuzdaki malzemelerin deneysel çalışması yapılmış ve sayısal sonuçlar ile karşılaştırılarak zamana bağlı eğrileri elde edilmiştir.

Industrial microwave heating, drying and processing of dielectiric materials are rapidly growing in number and scope because of the advantage of microwave energy. During microwave heating, the temperature distribution within the material is obtained by solving the heat transfer equation with the electric field as the power source. There are different techniques that have been used to solve the heat transfer equation. Due to its time- dependency the techniques are usually employed in the time domain. In this thessis the finite difference time domain (FDTD) method is used . Microwave heating of a dielectric in a waveguide is experimentally and numerically analyzed by the FDTD method. For numeric and experimantal purpose, engine oil, clinker and water are chosen. The experimental set up consists of a single mode TE101 cavity excited by a WR340 waveguide with a coupling iris. For heating conditions, the temperature distribution on water inside the cavity is measured with temperature measurement device. For computational analysis of electromagnetic fields inside the waveguide, The Maxwell’s Equations are considered using 3-Dimension FDTD method based on Yee’s notation. The heat transfer equation is also considered using 2- Dimension FDTD with Crank-Nicholson schema in order to obtain temperature distribution on the dielectric materials. The comparison of experimental heating data and computational results for materials are presented as a function of time.