基于QuickWave三维电磁仿真与设计平台微波照射复合材料的分析

针对雷达照射目标,我们可以目标对雷达的反射、吸收进行研究,如目标的优化设计包括目标材料、形状等。目标对象对雷达电磁波的吸收一般转化为目标对象内部的热能,并在对象内部进行热传导,以及与外界如空气进行热能交换。因此,研究目标对象对雷达电磁波的吸收和热分析,可为对象的材料热能分布、温度分布进行细致分析,同时对材料的耐热性进行验证。

问题分析

目标对象被雷达电磁波照射时,研究目标对象的电磁波吸收和热场分布,需要考虑以下几点:

因雷达发射机与目标对象存在一定的远距离,存在于发射场的远场,所以所照射的电磁波可近似为平面波。

图1 平面波

1.2、目标对象的材料特性

不同特性的材料具有不同的应用,如吸波材料、隐身材料、超材料等等。对象的材料属性可为各向同性或者各向异性。当材料为非线性或各向异性材料,还需考虑温度对材料特性的影响。

1.3、电磁热分析

经过持续的电磁波照射,具有特定特性的目标对象对电磁波存在一定的吸收和能量转换及热效应及与周围空气的热传递。

实现方法

2.1、QuickWave三维电磁仿真与设计的数值计算

本算例选择基于共形时域有限差分法(Conformal FDTD)的QuickWave通用三维电磁仿真与设计平台。它提供了一系列独特的曲线边界、介质界面、模态激励和参数提取模型。QuickWave具有众多独特优势和功能,如共形FDTD网格、微波加热专业模块、用户自定义对象(UDO)、CPU/GPU加速计算等。

图2 QuickWave结果示例

2.1.1、共形FDTD网格(Conformal FDTD mesh)

QuickWave使用先进的共形边界模型,与传统的阶梯网格相比,QuickWave的共形FDTD网格可以对曲线形状进行精确、准确的建模,并获得高精度的模拟结果,而无需缩短时间步长。

图3 a.传统的阶梯网格划分 b.QuickWave共形边界模型

​2.1.2、微波加热专业模块

QuickWave具有模拟微波加热功能。该软件可在复杂的状态下运行,甚至可沿着复杂的轨迹对加热物体的运动进行建模等。电磁场产生的热量传导计算可以使用自带的传热模块或通过耦合QuickWave与外部第三方软件包来实现建模。

2.1.3、自动网格化智能生成功能(AMIGO)

自动优化网格划分,快速设置所有端口的频率范围、S参数、FD探测、可用功率的后处理。

2.1.4、CPU/GPU加速计算

QuickWave有多种选项可以在各种多处理器/多核、GPU和MultiGPU配置上实现最佳计算速度。

2.2、实现过程

采用QuickWave三维电磁仿真与设计软件结合微波加热专业模块,进行对雷达照射目标上的热分布进行数值计算,并对结果进行可视化和输出。

QuickWave的微波加热专业模块在微波加热问题的建模中是一个非常有用的工具,它可以在考虑加热时间和与温度相关的介质电磁参数的同时获得被加热物体内的温度分布。根据介质属性和加热过程参数(如初始温度分布、加热时间和微波功率水平),热流效应对最终温度分布的影响可能会有所不同。这种现象对于确保计算的高精度至关重要。微波加热专业模块具有热流计算功能,可以考虑加热过程中物体产生的热量的扩散——热传递效应,为最终的温度分布计算结果提供更高的精度。

2.2.1、QuickWave参数定义

QuickWave软件具有包含众多主流材料的材料库。另外,用户还可以进行对介质材料参数进行自定义设置,以及直接创建材料参数文件。材料参数文件格式如下:

图4 QuickWave介质材料参数定义

2.2.2、介质边界条件定义

QuickWave在进行微波加热计算时,具有三种不同的边界条件进行设置:显式、绝热、对流。在QuickWave中,用户可以指定分析对象(或多个对象)的边界,并定义需要在那里应用相应边界条件的类型。微波加热模块允许用户将传热系数定义为温度的函数。这一特性在分析某些涉及微波加热的问题时非常有用。

针对各向异性材料(不同温度下具有不同的材料特性),QuickWave的微波加热模块可以选择对流边界条件(Robin BC),并可对边界条件参数进行设置,如下:

图5 QuickWave边界条件参数定义

2.2.3、软件运行设置

(1)、微波加热模块设置利用QuickWave进行微波加热时,只需要对BHM Mode设置对话框的内容进行设置即可。当考虑热传递时,须选择“Heat flow”选项。

图6 QuickWave BHM设置界面

(2)、其他设置

目标材料几何尺寸:150x150x13[mm];空气介质几何尺寸:300x300x300[mm]。目标材料属性参数:ρ=1.66[g/cm3]; ε=3.4; Ka=0.54; σ=0.04729; c=1.34[J /(kg·℃)];

图7 目标材料及空气介质

激励及吸收边界:选择平面波激励及PML吸收边界。

图8 平面波激励设置
图9 平面波激励及PML吸收边界

结果与讨论

基于以上相关参数及各种条件设置,利用QuickWave及微波加热专业模块对目标对象进行仿真计算,最终得到电磁场、温度场等参数的分布。

图10 QuickWave 3D Modeller GUI
图11 QuickWave Simulator GUI

3.1、计算结果

3.1.1、QuickWave计算日志信息

表4 计算日志信息(部分)

3.1.2、计算域中的温度场分布

表5 计算域中的温度场分布值

图13 最终温度值及其变化量曲线图
图14 介质内部的温度场分布

图15 介质内部(x=0.93mm, y=0mm)的温度场一维分布

3.2、讨论

本案例在进行相应的参数设置后,得到了目标对象的温度场分布及变化曲线。其中,相应参数及设置都经过相应的简化、近似处理。

在实际工程应用中,我们所面对的工程问题会更加复杂,如目标对象的实际尺寸、照射波带宽及功率、目标对象的非线性材料属性,以及多个介质的热传递或对流传热对温度场分布的影响等等。因此,本例的计算结果与实际工程的数据相比,存在一定的偏差。为获得更加精确、接近实际情况的结果值以及提高计算效率,需要对以下问题进行优化:

3.2.1、实测数据

利用QuickWave进行仿真计算分析,可以对前期的工程问题进行验证并优化。所以,QuickWave的数值模型及计算结果的验证和优化必须以工程实测为前提。实测数据包括:目标对象的材料属性参数、雷达微波的照射功率、目标对象的温度分布。

3.2.2、边界条件

由于仿真计算过程中选取的边界条件与实际应用存在偏差,导致最终的计算结果有误差。因此需要根据实际情况进行边界条件及边界条件参数的合理选择。

3.2.3、时间步长选择

由于QuickWave在进行FDTD计算时,需要大量的数据迭代计算以达到稳态。而在进行微波加热工程中,每一步的微波加热都需要进行迭代计算。若步长选择过大,则影响计算精度,若步长选择过小,则影响计算结果和计算效率。所以,选择合适的步长非常重要。

3.2.4、精细网格

由于计算机资源的限制,无法对更高的网格精细度进行改善。提高FDTD网格精细度,可以获得更高的计算结果精度。

3.2.5、可选择QuickWave的其他功能

QuickWave的Multi-core/Multi-processor多核、多处理器以及GPU大规模并行运行功能和模块,可以显著提高软件计算效率。本次案例中,所使用的计算机为笔记本式计算机。经对比可以看出,该配置下GPU计算相对于CPU计算效率提高约2倍。就已知测试过的情况,单个GPU比CPU的计算效率可提高14倍,而多GPU大规模并行计算则更高,可达上千倍。QuickWave的OptimiserPlus可以处理基于辐射模式、S参数、FD探测的目标函数。其中的Parameters Sweep功能,可以针对任何参数、变量进行参数扫描,从最终结果中获得和验证最优值,以及为进一步的自动优化找到一个好的着手点。


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