Abstracts Engineering

Simulating Microwave Heating for Industrial Processes Using the Finite-Difference Time-Domain Method

by Dante; Nilsson, Axel; Olofsson, Linus Grenholm

Microwave heating is an efficient way of heating compared to conventional industrial alternatives such as autoclaves, a type of pressure cooker commonly used for curing and sterilisation. One problem that limits the adoption of microwave ovens in industrial processes is uneven heating. This project aims to simplify industrial microwave oven development by constructing a simulation of microwave heating using the finite-difference time-domain (FDTD) method. This is a common accepted method for solving differential equations. Simulation tools can be used to efficiently create prototypes virtually which makes for a more efficient development process of customised microwave ovens.%The implementation is written in Python and uses Meep, an open source FDTD library for simulating electromagnetic fields. The end product produces a model of a physical system and simulates the interaction between microwaves and the target material. This interaction results in heating of the target material, which can be observed through an animated heat map. This heat map can then be compared to the video from a thermographic camera to determine the model's validity and accuracy. The results of this project confirms the validity of the approach but does not validate the accuracy of the simulation. The system requires further development in three areas: 2D simulations must be scaled to 3D, the simulations predictive ability must be validated and the simulated time span must be increased. Mikrovågsugnar är ett effektivt alternativ till konventionella lösningar för industriell uppvärmning, såsom autoklaver. autoklaver är en form av ugn som värmer under ökat tryck, ungefär som en tryckkokare, och används främst för härdning och sterilisering. Ojämn uppvärmning är en av de problemen som begränsar användning av mikrovågsugnar i industrin idag. Detta projekt försöker underlätta utveckling av industriella mikrovågsugnar genom att konstruera en simulering av mikrovågsuppvärmning genom finite-difference time-domain (FDTD) metoden. Detta är en vanligt förekommande metod för att lösa differentialekvationer. Med hjälp av simuleringsverktyg så kan digitala prototyper lätt skapas och testas, detta i sin tur leder till en effektivare utvecklingsprocess av specialdesignade microvågsugnar. Implementationen är skriven i python och använder Meep, ett FDTD-bibliotek för att simulera elektromagnetiska fält, med öppen källkod. Slutprodukten är en modell av ett fysiskt system där interaktionen mellan det elektriska fältet och materialet simulerats. Denna interaktion leder till uppvärmning av materialet, detta kan sedan observeras genom en animerad värmekarta. Denna kan sedan jämföras med en video från en termografisk kamera för att bestämma modellens giltighet och precision. Resultaten av detta projekt visar ett giltigt tillvägagångssätt, men verifierar inte giltigheten och precisionen av simuleringen. Systemet kräver vidareutveckling inom tre områden: Tvådimensionella simuleringar bör vara tredimensionella, simuleringens prediktiva förmåga måste…