Technical Papers and Presentations

微波作为信息和能量的载体具有同等重要的应用价值，利用微波对物质产生的物理化学效应进行能量传递及转换已经在化学领域有了积极的应用。从 1986 年 R.N. Gedye 等人首次使用微波促进化学反应使其反应速率提高 1240 倍以来，有越来越多的微波和化学领域的科学家对相关问题进行了研究，并出现了一门新兴学科“微波化学”。微波化学作为研究微波能的一个方面是研究微波与化学反应体系相互作用的一个新兴学科。由于当前人们对微波加快化学反应的研究还非常肤浅，微波在大规模应用中并未发挥出其应有的巨大优势，微波化学进一步发展面临着巨大的挑战和机遇。目前微波化学的研究可以分为宏观和微观两个层面：（1）在宏观层面人们并不关心微波对分子之间行为的影响，其研究要用多物理场数值计算方法获得反应体系中电磁场、温度等物理量的分布和变化；（2）微观层面的研究，重点关注微波对反应分子之间相互作用的影响，其研究要回答微波除了对化学反应的热作用以外是否还存在非热作用，微波促进化学反应的最佳条件，为微波能在化学工业中的高效应用奠定基础。 COMSOL Multiphysics® 在微波能的工业应用中对过程仿真与设备及流程优化起着至关重要的作用，我组在基于“电磁场-多孔介质-机械形变”的微波干燥 COMSOL 模拟仿真优化工作中完成了国际上首个“电磁-多孔介质-机械形变”模型，使得可以获得整个物料体系在微波干燥过程中温度、水分、压力和萎缩等的变化，实现了微波干燥过程优化设计。而“光学时变各向异性介质理论”在微波加热运动目标的 COMSOL 建模中的应用研究，通过 COMSOL 的计算研究获得了解决了运动目标在 FEM 算法中的难题，通过“光学时变各向异性介质理论”使得在网格不变化的情况下计算获得运动目标的加热分析。而微波-螺旋推进器加热设备的多物理场仿真与优化，首次实现了“微波-流体-机械搅拌”的统一模型，理论角度探讨了螺旋推进器对加热均匀性的影响，流体在螺旋推进器和微波等作用下的流动情况。同时，更进一步的引入化学反应工程模块，完成了微波连续流动处理生物柴油反应的建模研究，并利用模型优化获得生物柴油用的均匀加热管道设计。 本摘要着重报道了我组利用 COMSOL 多物理场仿真软件实现微波能应用中优化案例，利用 COMSOL 这一多场协同计算程序实现微波、热场、流体场、传质场、压力场、反应场等尽可能完善的物理场模型的耦合计算，无限逼近真实情况。实验结果表明计算结果准确，并进一步将经验证的模型用于优化设计中，获得良好的效果。