一种基于COMSOL软件的射频加热仿真模拟方法与流程

本发明涉及计算机模拟的技术领域，尤其涉及一种基于comsol软件的射频加热仿真模拟方法。

背景技术：

射频加热是一种很有前景的加热方式，具有穿透深度大，加热速度快等优点。随着计算机性能的提高以及有限元解法的普及，通过计算机模拟求解射频加热成为一种行之有效的方法。计算机模拟可以看到一些实验难以获得的参数分布，比如电磁场、温度场分布等，然而，射频加热针对不同几何形态材料具有不同加热特点，如不同厚度、大小。形状的材料可导致加热速率和均匀性大不相同，并具有潜在的边缘过热和热偏移等现象，因此可通过对真实形状材料的几何特征和热物理特性输入软件、建模并预测其加热效果。在食品加热过程中，不规则形状材料居多，射频加热技术的边缘过热效应对于不规则材料尤为凸显。然而，由于对不规则材料的形状建模非常复杂，普通软件难以绘制其几何形状，目前大多研究都只集中在将物料制作或近似为规则形状并对其进行模拟，对于不规则材料真实形状的射频加热模拟过程尚无报道。

技术实现要素：

为了解决现有问题，本发明提供了一种基于comsol软件的射频加热仿真模拟方法，利用三维扫描仪完成对复杂形状的加热食品三维模型的建立，再将三维模型导入comsol软件进行射频加热仿真模拟。

本发明可通过以下技术方案实现：

一种基于comsol软件的射频加热仿真模拟方法，包括：

步骤一、利用三维扫描仪对待加热样品进行扫描，获得所述待加热样品的三维点云数据；

步骤二、对所述的三维点云数据进行优化处理，获得所述待加热样品完整的几何模型，将所述几何模型处理成nurbs曲面，并对所述nurbs曲面进行栅格化处理，存储为igs格式的三维空间数据模型；

步骤三、利用comsol软件所述三维空间数据模型进行射频加热仿真模拟。

进一步，所述步骤三中的利用comsol软件所述三维空间数据模型进行射频加热仿真模拟包括：

步骤ⅰ、打开comsol软件，根据待加热样品的属性和仿真目的，确定物理场以及研究模块；

步骤ⅱ、将所述三维空间数据模型导入comsol软件；

步骤ⅲ、根据待加热样品的属性和仿真目的，在comsol软件中进行物性设定、边界条件的设定、划分网格，添加具体的研究参数，进行加热过程的计算；

步骤ⅳ、将加热过程的计算结果与实际实验的红外热图像对比，验证模拟仿真的可行性。

进一步，所述步骤二中的对所述的三维点云数据进行优化处理包括：利用逆向校核软件geomagicqualify对所述的点云数据进行修补，删除体外孤点以及非连接项，填补漏洞，生成完整的几何模型，并进行封装。

进一步，所述步骤二中将所述几何模型处理成nurbs曲面，并对所述nurbs曲面进行栅格化处理包括：利用逆向软件geomagicstudio将所述封装后的几何模型转化为nurbs曲面，修理所述nurbs曲面的曲面片，再构建栅格，将构建栅格后的nurbs曲面存储为igs格式的三维空间数据模型。

进一步，所述步骤一中的点云数据格式为ply格式。

进一步，所述待加热样品处于固态或者被处理成为固态。

本发明有益的技术效果在于：

(1)操作简单，应用方便，复杂的不规则的食品材料无需先绘制三维模型再进行加热过程的模拟，省时省力，具有较高的经济价值。

(2)运用comsol软件进行射频加热的模拟，实验条件具有可控性，结果直观明了，便于分析。

(3)三维扫描能够保存不规则物体的形状细节，更加符合实际情况。

(4)三维空间数据模型能够提高模拟射频加热不规则样品结果的精确度。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为本发明的待加热样品土豆的三维扫描的点云数据模型；

图3为本发明的待加热样品土豆的完整的几何模型；

图4为本发明的待加热样品土豆的igs格式的三维空间数据模型；

图5为本发明的待加热样品土豆的仿真图像与实际实验的红外热图像对比示意图之一，其中，颜色深的地方表示温度高，颜色浅的地方表示温度低，仿真图像的背景为白色，标号为a1、b1、c1，实际实验的图像的背景为黑色，标号为a2、b2、c2；

图6为本发明的待加热样品土豆的仿真图像与实际实验的红外热图像对比示意图之二，其中，颜色深的地方表示温度高，颜色浅的地方表示温度低，仿真图像的背景为白色，标号为d1、e1、f1，实际实验的图像的背景为黑色，标号为d2、e2、f2；

图7为本发明的待加热样品胡萝卜、西红柿、苹果和香蕉的仿真图像与实际实验的红外热图像对比示意图，其中，颜色深的地方表示温度高，颜色浅的地方表示温度低，仿真图像的背景为白色，标号为1a、2a、3a、4a，实际实验的图像的背景为黑色，标号为1b、2b、3b、4b。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式做进一步阐述。

如图1所示，本发明提供了一种基于comsol软件的射频加热仿真模拟方法，具体包括以下步骤：

步骤一、利用三维扫描仪对待加热样品进行扫描，获得该待加热样品的三维点云数据；

步骤二、对上述的三维点云数据进行优化处理，获得待加热样品完整的几何模型，将该几何模型处理成nurbs曲面，并对该nurbs曲面进行栅格化处理，存储为igs格式的三维空间数据模型，具体如下：

首先，利用逆向校核软件geomagicqualify对上述的点云数据进行修补，删除体外孤点以及非连接项，填补漏洞，生成完整的几何模型，并进行封装，然后，利用逆向软件geomagicstudio将封装后的几何模型转化为nurbs曲面，修理nurbs曲面的曲面片，再构建栅格，将构建栅格后的nurbs曲面存储为igs格式的三维空间数据模型。

步骤三、利用comsol软件上述三维空间数据模型进行射频加热仿真模拟，具体如下：

步骤ⅰ、打开comsol软件，根据待加热样品的属性和仿真目的，确定物理场以及研究模块；

步骤ⅱ、将所述三维空间数据模型导入comsol软件；

步骤ⅲ、根据待加热样品的属性和仿真目的，在comsol软件中进行物性设定、边界条件的设定、划分网格，添加具体的研究参数，进行加热过程的计算；

步骤ⅳ、将加热过程的计算结果与实际实验的红外热图像对比，验证模拟仿真的可行性。

以土豆为例，下面详细介绍本发明的方法。

本发明采用华朗三维生产的型号为hl-3ds+扫描仪，对于常温下为不易形变的固态食品材料，可以直接进行扫描建模。

step1、取一个新鲜的土豆，洗净擦干，将显像剂均匀涂于土豆表面，等表面显像剂中水分蒸发后，将标定点无序地贴满土豆表面。

step2、将三维扫描仪与电脑相连，打开三维扫描仪电源，打开imagingstudio软件，通过按空格键拍摄图片，土豆表面全部拍摄完毕后，依次点击“点云处理”，“全局优化”，“点云融合”和“点云保存”，将土豆的三维点云模型保存为ply格式，如图2所示。

step3、打开把保存的点云数据用geomagicqualify软件进行修补处理，删除体外孤点以及非连接项，填补漏洞，生成完整的几何模型，如图3所示，再进行封装。

step4、将封装后的模型用geomagicstudio软件转化为nurbs曲面，调整网格节点，优化网格结构，构建栅格，最后另存为igs格式的三维空间数据模型，如图4所示。

step5、打开comsol软件，单击“模型向导”，选择“三维”，在物理场树中依次点击“选择传热”，“电磁加热”和“焦耳热”，在研究树中选择“所选多物理场的预设研究”中“频域-瞬态”。

step6、在“主屏幕”工具栏中单击“导入”，在“导入栏”单击“浏览”选择之前保存igs格式的土豆三维空间数据模型，单击“导入”，最后，将射频加热系统在comsol软件中绘制出来，使得土豆三维空间数据模型位于下极板上表面正中间。

step7、输入土豆的热物性参数、初始温度、极板的电压等初始条件。在划分网格的时候，对土豆模型的网格采用“特别细化”，对射频加热系统采用“标准”。在添加的“研究1”中“步骤1：瞬态”里“时间栏”可以设置时间，并进行加热过程的计算，同时，将加热过程的计算结果以图形的形式表示出来，即以六面视图的形式将仿真土豆的加热过程的计算结果显示出来。

step8、利用实际的实验设备，设置与模拟仿真参数相同的参数对实际土豆进行射频加热，即极板间距设置为100毫米，极板电压设置为4500伏，频率设置为27.12mhz，加热时间设置为1800秒，加热完成后，参考仿真土豆的六面视图，制作实际土豆的六面视图的红外热图像，通过图5和图6的对比结果可知，利用本发明的仿真模拟方法进行射频加热仿真与实际实验的结果基本相同。

参照附图7，我们还利用本发明的仿真模拟方法对多种类型的食品如胡萝卜、西红柿、苹果和香蕉进行射频加热模拟，它们的仿真模拟结果与实际实验的结果基本一致，其仿真度可以达到90％。

本发明的操作简单，应用方便，复杂的不规则的食品材料无需先绘制三维模型再进行加热过程的模拟，省时省力，具有较高的经济价值。运用comsol软件进行射频加热的模拟，实验条件具有可控性，结果直观明了，便于分析。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，因此，本发明的保护范围由所附权利要求书限定。