微波加热化学反应中多物理场的数值计算与实验

摘要

微波化学作为一门新兴交叉学科已经受到越来越多地关注，但迄今为止，微波加热化学反应所产生的部分特殊效应仍然没有得到合理解释，微波和化学反应的相互作用机理还没有真正被认识，非热效应成为一个悬而未决的热点问题。与此同时，缺少一种真正意义上对微波化学反应器设计的指导理论。这严重制约了微波在化学工业上的进一步应用，因而急需一种微波加热过程中的数值模拟方法来定量研究这些问题。此外，大部分微波化学反应器都是由家用微波炉改装而成，其功率源工作时不稳定，多个源的功率合成实际上是非相干源的合成。在理论上研究随机相位和随机频率非相干微波功率的合成，模拟被加热物体的温度分布和吸收热量的情况对于高功率微波在微波化学中的应用具有十分重要的意义。 本论文的研究内容和创新点主要有以下两方面。 第一，利用时域有限差分法(FDTD)并结合蛙跳技术，通过联合求解麦克斯韦方程组和热传导方程，模拟了水的微波加热过程，计算了烧杯中水的温度分布；研究了随机相位和随机频率微波功率源合成时水的加热情况，对比了随机相位和随机频率非相干微波功率源与相干微波功率源加热时水的吸热和温升。计算结果表明，随机相位功率源进行合成时，烧杯中的水温分布更加均匀，水所吸收的热量也较相干功率源合成加热时有较大增加；而随机频率功率源进行合成时，加热效果没有明显的变化。 第二，对微波加热化学反应进行了数值模拟。采用黄卡玛等人提出的经验公式计算得到任意温度和反应时刻的丙酮碘化反应过程中混合溶液的等效介电系数，联合求解了化学反应方程、麦克斯韦方程和热传导方程，得到反应过程中的电磁场与温度分布。计算结果与实验结果吻合较好，验证了这种数值方法的合理性。它为微波加热化学反应的数值模拟提供了一种有效的方法，并为进一步解释部分特殊现象和进行非热效应的相关机理研究提供可能。

目录

文摘

英文文摘

第一章前言

第二章微波加热中多物理场的数值计算

第三章微波加热中随机频率和随机相位功率源对加热效果的影响

第四章微波加热化学反应的数值模拟与实验验证

第五章结论与展望

参考文献

攻读硕士学位期间的论文和获奖情况

声明及学位论文版权使用授权书

致谢