天线错位布置对微波移动加热效果影响的仿真研究
2020-07-02蔡子林高子渝杨伦磊李家春
蔡子林，高子渝，杨伦磊，李家春
(1.长安大学 公路养护装备国家工程实验室，陕西 西安 710064；2.江苏集萃道路工程技术与装备研究所，江苏 徐州 221004)
0 引 言
微波加热因其高效、快速、环保的特点被引入到路面养护行业，微波加热穿透能力强，加热深度大，能实现对沥青混合料内外同时加热，加热均匀性好，沥青混合料升温快，施工效率高，安全环保。近年来国内各大科研院校对微波加热沥青混合料相关技术进行了研究。高子渝等对微波加热沥青混合料进行了研究[1-7]。陈伟等对天线阵列对微波加热沥青混合料的影响进行了研究[8-10]。边晓伟等则对微波移动加热沥青混合料进行了研究[11-12]。
天线阵列的错位布置会对微波加热沥青混合料模型的加热效率和均匀性产生影响，但是目前还缺乏对此的相关研究。因此，本文利用CST仿真软件对微波加热沥青混合料模型天线阵列错位布置的不同错位位移进行仿真，研究不同错位位移下微波移动加热沥青混合料的加热效率和均匀性，以及不同移动方向下错位位移对移动加热沥青混合料模型加热效果的影响。
1 加热模型的建立
本文以波导Y方向产生交错的天线阵列为研究对象，行列间隔为30 mm×30 mm，天线阵列的错位位移分别是波导底部长边尺寸的1/2、1/3、1/4和0。不同错位位移波导布置如图1所示。
图1 不同错位位移波导布置
利用CST软件对模型进行微波场和温度场耦合仿真，对其温度的均值、离散系数和加热深度等进行分析。沥青混合料参数设置如表1所示。
2 不同错位位移的仿真研究
2.1 X向移动加热的错位位移仿真研究
利用CST软件对不同错位位移的加热模型进行微波场和温度场耦合仿真，得到加热后沥青混合料模型的表面温度分布云图和深度方向温度分布云图，如图2所示。将沥青混合料模型的温度数据导出并处理，得到表2、3和图3～6所示。
图2 X向错位位移1/2模型的仿真结果
由图2～6和表2、3分析得到：随着天线阵列错位位移的增大，沥青混合料模型温度的均值和80 ℃以上温度区间占比逐渐降低，而且沥青混合料模型深度方向不同层的温度略有降低，加热效率下降；沥青混合料模型温度离散系数逐渐降低，其中离散系数由0.169降到0.152，沥青混合料模型加热均匀性变好。
通过对加热后沥青混合料的温度区间占比、加热深度、均值、标准差、离散系数等加热效果评价指标的综合分析发现，沿X向移动加热，随着天线阵列错位位移的增大，加热效率降低，加热均匀性提高。在本节分析的几组错位位移中，天线阵列错位位移为1/2时沥青混合料模型的加热效率略低，但是加热均匀性最好，因此加热效果最好。
表1 沥青混合料参数
表2 X向不同错位位移选取温度结果对比
2.2 Y向移动加热的错位位移仿真研究
利用CST软件对不同错位位移的加热模型进行微波场和温度场耦合仿真，得到加热后沥青混合料模型的表面温度分布云图和深度方向温度分布云图，如图7～10所示。将沥青混合料模型的温度数据导出并处理，即可得到表4、5和图7～10。
表3 X向不同错位位移选取温度各温度区间占比
图3 X向错位位移1/3模型的仿真结果
图4 X向错位位移1/4模型的仿真结果
图5 X向错位位移0模型的仿真结果
图6 X向移动加热不同深度温度
图7 Y向错位位移1/2模型的仿真结果
图8 Y向错位位移1/3模型的仿真结果
图9 Y向错位位移1/4模型的仿真结果
图10 Y向错位位移0模型的仿真结果
由图7～10和表4、5分析可得到：随着天线阵列错位位移的增大，沥青混合料模型温度的均值和80 ℃以上温度区间占比逐渐降低，而且沥青混合料模型深度方向不同层的温度降低，加热效率降低；沥青混合料模型温度的离散系数逐渐降低，其中离散系数由0.265降到0.220时，沥青混合料模型的加热均匀性变好。
表4 Y向不同错位位移选取温度结果对比
表5 Y向不同错位位移选取温度的各温度区间占比
图11 Y向移动加热不同深度温度
通过对加热后沥青混合料的温度区间占比、加热深度、均值、标准差、离散系数等加热效果评价指标的综合分析发现，沿Y向移动加热时，天线阵列错位布置随着天线阵列错位位移的增大，加热效率降低，加热均匀性提高。在本节分析的几组错位位移中，天线阵列错位位移为1/2时沥青混合料模型的加热效率略低，但是加热均匀性最好，因此加热效果最好。
综合分析得到：相同错位位移时沿X向移动加热的沥青混合料模型温度的离散系数均比沿Y向移动低，表明沿X向移动加热的沥青混合料模型加热均匀性比沿Y向移动好；沿X向移动加热的沥青混合料模型的温度均值除了错位位移为0时比沿Y向移动加热时低，其余错位位移的均值均比沿Y向高，而且沥青混合料的高温温度区间占比比沿Y向高，表明沿X向移动加热沥青混合料模型的加热效率比沿Y向移动加热好。因此沿X向移动加热沥青混合料模型时加热效果最佳。
3 结 语
本文研究了加热墙天线阵列错位布置对微波移动加热沥青混合料模型加热效果的影响，发现：随着天线阵列错位位移的增大，加热效率降低，加热均匀性提高；错位位移相同时沿X向移动加热沥青混合料的加热效率和均匀性均比沿Y向好。该结论可以为沥青路面微波加热设备的设计提供参考。
