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Comsol射频加热

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射频（RF）是Radio Frequency的缩写，表示可以辐射到空间的电磁频率，频率范围从300kHz～300GHz之间。

‌射频共振加热的基本原理是利用外加的高频电场与介质内部的分子或离子的内部电场相互作用，使得介质内部分子或离子发生振动，从而产生热量。

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射频加热

射频（RF）是Radio Frequency的缩写，表示可以辐射到空间的电磁频率，频率范围从300kHz～300GHz之间。射频就是射频电流，简称RF，它是一种高频交流变化电磁波的简称。每秒变化小于1000次的交流电称为低频电流，大于10000次的称为高频电流，而射频就是这样一种高频电流。射频（300K-300G）是高频（大于10K）的较高频段，微波频段（300M-300G）又是射频的较高频段。‌射频加热是利用高频交流变化的电磁波进行加热的一种方法。射频（RF）的频率范围从3kHz到3GHz，由于频率高，分子运动速度快，利用射频能量使分子高度速运动，从而达到加热的目的。

‌射频共振加热的基本原理是利用外加的高频电场与介质内部的分子或离子的内部电场相互作用，使得介质内部分子或离子发生振动，从而产生热量。在高频电场作用下，介电常数较大的介质会形成极化现象，即分子或离子在电场的作用下会发生形变，这种形变引起分子或离子之间的相互作用，从而形成摩擦产生热量。当电场频率与分子或离子的固有振荡频率相等时，就会发生共振现象，导致分子或离子振动幅度增加，从而摩擦和碰撞激发周围分子或离子，使整个介质发生加热现象。在高频电场中，介电常数较大而电导率较低的材料常被用来进行加热。当高频电场引入介质中时，电场作用下的振荡电流会通过介质导电，形成电流回路。由于电导率较低，导电过程会产生较大的电阻，从而产生大量的热量。此外，透磁率较大的材料受到外磁场的作用，会形成感应电场引起电流的产生，通过电流的引入和产生，介质会发生因磁体而产生的摩擦现象，这种摩擦产生的能量转化为热量，实现了加热效果。

图1. 射频加热仪器

物理模型

在几何模块中建立射频加热生物组织的二维轴对称模型，如图2所示。计算过程需设置模型各部分电导率、相对介电常数、相对磁导率、密度、导热系数和比热容，为了结果的准确性，以上参数均从相关论文资料以及现有实验数据中获得，如图3所示。

图2. 物理模型

图3. 材料参数

物理场边界条件

计算物理场选取电流场和固体传热场，电流场设置电流激励1A、接地和电绝缘边界条件，固体传热设置生物组织和热通量边界条件，换热系数10W/m2，多物理场耦合形式为电磁热，详细的边界条件如图4示。

图4. 物理场边界条件

根据有限元法的求解原理，剖分越精细，求解越准确，数值计算前通过网格划分对模型计算区域进行离散化处理，采用三角形非结构化网格对模型进行划分，网格分布如图5所示。

图5. 计算网格分布

结果展示

计算模型采用频域-瞬态全耦合求解器进行求解，电流计算频域为500kHz，瞬态总时长为60s，计算时间步长为1s，通过求解得到模型的电势、电场、温度和电磁损耗分布如下所示。

图6. 电势分布

图7. 电场分布

图8. 温度分布

图9. 等温线分布

图10. 电磁损耗分布

供稿| 电子F430

编辑| 小苏

审核| 赵佳乐

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来源：Comsol有限元模拟

Comsol 振动碰撞电子电场材料

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首次发布时间：2024-08-14

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硕士 | 控制工程师 Comsol工程师，研究方向多物理场

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