微波加热FDTD模拟中时间压缩因子的研究

1　引言　　微波加热具有快速、体积加热、效率高等优点 ,因此得到了广泛的应用 .近年来 ,由于微波能够大大加快某些化学反应的速度 ,提高生成物产率 ,改善产物的性能[1] ,因此在化学领域和化工领域都得到了广泛的研究和应用 .但在微波能够改变化学反应速度机理的研究中 ,一个关键的问题是微波辐射过程中化学反应内部温度的分布及其随时间的变化过程 ,是很难通过实验方法得到的[2 ] .此外 ,微波在陶瓷烧结领域也得到了广泛的应用 ,但烧结过程中的温度均匀性有待提高 ,同时由于对烧结过程中陶瓷内部的温度变化缺乏了解 ,常常造成热失控、过烧…     

沥青路面再生机微波加热机理及数值模拟

针对开口微波场中沥青混凝土路面微波加热机理的探讨，从麦克斯韦波动方程、热力学微分方程出发，建立了开口微波场中微波透射沥青混凝土路面材料时的三维有源非稳态加热模型．利用热力学第一边界条件，选用时域差分法求解耦合的麦克斯韦波动方程及热力学偏微分方程组，得到了各种加热条件下沥青混凝土路面材料中的温度场．实验发现，数值计算的结果与实验结果相当吻合，验证了沥青混凝土路面三维有源非稳态微波加热模型的正确性，为开发可用于沥青混凝土路面再生等大尺寸复合电介质微波加热设备提供了理论基础、设计方法和实验依据．     

数值模拟微波加热化学反应过程的初步研究及热点和热失控现象讨论

通过数值模拟来研究微波加热化学反应这一非线性过程,重点讨论了温度场的时空变化及相关的热点、热失控现象．设被加热物体为无限长圆柱体,入射电磁波为平面波,于是导致了一个二维多物理场的耦合计算问题．计算中采用矩量法求解电磁场积分方程,采用半解析法求解热传导方程,并提出一种微波加热化学反应过程中反应物等效复介电常数的确定方法．对水和一假定的化学反应（A）的计算结果表明,微波加热过程中的热点现象广泛存在,其普遍规律是：当被加热物体半径较小时,电磁波的聚焦作用使物体内部某些地方出现最高温度;当半径增加到一定程度时,电磁波的趋肤效应开始逐渐明显,最高温度出现在物体表面附近,呈现出月牙形的高温区域．这和电磁波传播的基本物理规律相符．在半径值固定的条件下,水在加热过程中热点位置并无变化,而反应A在少数半径值下则有热点的移动．计算研究还发现,无论是水还是反应A,在半径值较小时,热失控现象易发生,即半径值微小的不同会使物体的最高温度有很大不同;相反,在半径值较大时,则热失控现象不明显．值得一提的是,水的最高温度随半径增大呈现震荡减小的趋势,而反应A则几乎是单调减小．这种差别是否只是偶然产生,还需要进一步做出研究．     

微波加热技术在沥青路面现场维修中的应用

对微波加热技术在沥青路面现场维修中的应用进行了初步的研究和探索，沥青路面材料在微波能作用下，聚集料产生热量并将热传给沥青料，从而达到加热的目的，微波加热有着迅速，穿透深以及均匀一致等优点，在沥青路面维修中的应用前景十分看好     

微波加热含碳碳酸锰矿粉升温机理

利用微波冶金炉对无烟煤和碳酸锰矿粉的混合物料进行加热,研究含碳碳酸锰矿粉在微波场中的升温机理。研究结果表明：含碳碳酸锰矿粉具有优良的微波加热特性和自还原性;在微波加热频率为2．450GHz、碳氧原子摩尔比分别为1．1,1．2和1.3时,微波加热混合物料至1473K的升温速率平均最高达到140．7K／min;不同的加热温度和配碳比下混合物料的介电常数较大,都在5．5左右,而磁导率为1左右,属介电损耗型;微波加热含碳碳酸锰矿粉的升温性能主要取决于含碳碳酸锰矿粉的电磁性能,而电磁性能的改变主要是由物料加热过程中产生的化学反应、晶体结构变化及缺陷状态的改变引起的;配碳比提高,物料吸收微波的能力有所提高;在相同的配碳比下,加热温度升高,吸收微波的能力有所减弱。     

应用先进工艺取得创新成果——哈工大绿色化学与技术研究中心应用微波水处理工艺获进展

微波促进化学反应技术，以其加热速度快、温度场分布均匀、对特定化学反应具有诱导催化作用等特点，已被越来越多化学研究工作者所关注，并取得许多成功范例。微波水处理工艺作为一种新型物理化学水处理技术，具有氧化速度快、矿化度高、节省化学药剂、占地面积小、易于实现自动控制等优点，在水处理领域具有广阔的研究开发前景。     

金属壁移动对微波加热均匀性的影响

本文通过矩形波导金属壁的移动,对腔体内电磁场分布的相位进行调节,从而改善矩形波导内因电磁场分布的不均匀而引起的加热不均匀性,并且提出了基于空间坐标变换的时变媒质方法来计算移动边界问题,对于处理大型工业用微波腔体的移动边界问题具有重要意义.本文采用单模BJ-22波导加热系统为基准,分析短路面位置的调节对微波加热均匀性的影响,实验和计算表明短路面的调节可以大大提高微波加热的均匀性,且空间坐标变换理论可以准确的用于微波腔体的移动边界计算.     

补白$微波加热煤储层的共轭传热模型

为研究微波和常规加热时煤储层内温度场的演化规律及储层瓦斯解吸量的变化规律,采用理论分析和数值模拟的试验方法,构建了以岩石SEM图像为几何特征,瓦斯和煤基质块体为传热介质的共轭传热模型,对比了常规加热和微波功率为1W 3W 5W 7W时温度场的演化过程.结果表明:微波加热时热量由煤储层内向外传递,传热速率是常规加热的1.5倍,且传热速率与微波功率呈对数增长关系;温度场的分布在微波电场传播方向上具有明显的阶段性和区域分布不均匀性,在距离微波端口处温度值最大,随距离增加温度值快速降低;在端口附近200 um的范围内温度的极差值是中部区域的14倍;瓦斯的吸附量随功率的增大基本呈线性递减关系.     

水玻璃砂微波加热过程温度场测试与分析

通过系统测试和分析水玻璃砂在微波加热过程中的温度场,揭示了水玻璃砂微波加热的快速升温及型芯内外同时升温等特性。通过实验和分析,探讨了形成这些特性的原因。提出了微波加热过程中水玻璃砂型芯的升温主要依赖于水玻璃对微波的吸收的观点。     

微波加热煤储层的共轭传热模型

为研究微波和常规加热时煤储层内温度场的演化规律及储层瓦斯解吸量的变化规律,采用理论分析和数值模拟的试验方法,构建以岩石SEM图像为几何特征,瓦斯和煤基质块体为传热介质的共轭传热模型,对比常规加热和微波功率为1W、3W、5W和7W时温度场的演化过程.结果表明:微波加热时热量由煤储层内向外传递,传热速率是常规加热的1.5倍,且传热速率与微波功率呈对数增长关系;温度场的分布在微波电场传播方向上具有明显的阶段性和区域分布不均匀性,在距离微波端口处温度值最大,随距离增加温度值快速降低;在端口附近200μm的范围内温度的极差值是中部区域的14倍;瓦斯的吸附量随功率的增大基本呈线性递减关系.     

多物理场耦合仿真对流在微波加热中的作用机理研究

微波炉加热水或者牛奶等液态食物时,在温度横向分布向不均匀的同时会出现比较明显的纵向不均匀,其特点是上部的温度高于底部温度,最终导致微波加热不充分.为了分析温度纵向不均匀性产生的作用机理,以进一步提高加热效果,本文使用了多物理场仿真软件,模拟了微波与常规电热器等底部加热方式加热一杯水时温度变化的情况.通过分析对流现象对电场与温度分布的影响,我们发现：由于微波加热的不均匀导致对流只发生在局部区域,无法形成类似于电热器底部加热方式中自下而上的对流,最终导致了温度分层的现象.     

微波技术在沸石自身加热中的应用

详细阐述了微波以及微波介电加热原理，综述了国内外对微波加热条件下沸石吸收微波能转化为热能这一独特现象的研究情况。     

微波技术及其在Ba（OH）2.8H2O脱水中的应用研究

从化学反应机理和微波作用原理的角度出发，研究了微波技术对Ｂａ（ＯＨ）＿２．８Ｈ＿２Ｏ脱水反应的效果。结果证明：由于微波加热降低了化学反应的活化能，因而加速脱水的进程。其反应速率有极大的提高。这一结果为工业上采用微波反应器提供了依据。     

碳纤维石墨化专用微波矩形槽波导谐振腔的设计及数值模拟

微波作为一种碳纤维石墨化过程中的加热方式,对于实现碳纤维在径向和周向上的均匀石墨化具有潜在优势。由于电磁波在腔体内传递时能量分布有很大的不均匀性,首先针对微波加热腔体的形状和尺寸进行了设计;随后采用Ansys Electronics软件建立了加热碳纤维丝束的电磁加热-热辐射-流动传热模型,模拟了腔体内的电磁场和温度场;最后分析了走丝速度与保护气体流速对于腔内温度场分布的影响,结果表明：保护气体流速对加热过程中丝束能达到的最高温度影响较大,而走丝速度对最高温度的变化基本没有影响。本文研究对于碳纤维微波石墨化加热腔的研制具有较实际的指导意义。     

多口馈能的微波加热器设计

本文介绍多口馈能的微波加热器具有较均匀的加热特性，避免在单个馈源口附近引起箱 内打火．     

微波场中锰矿粉碳热还原反应研究

采用微波加热和常规加热对锰矿粉的碳热还原反应进行了研究.利用热重分析仪研究温度、粒度和碳氧原子摩尔数比等因素对微波场中锰矿粉碳热还原反应速率的影响,并通过拟合得到碳热还原反应过程动力学方程,进而得到微波加热相对于常规加热碳热还原的速率增加因子Q.实验结果表明:在微波加热时,随着碳氧原子摩尔数比的升高,物料升温速率随之提高;同时,反应前期升温速率较大,随着反应的进行,升温速率逐渐降低.提高碳氧原子摩尔数比和温度,微波加热碳热还原反应速率加快.减小粒度可以提高反应速率,但当粒度减小到150目时,进一步减小粒度后,反应速率不会有明显的提高.相同的温度和保温时间下,微波加热失重率远大于常规加热,微波加热的促进作用在低温和低温反应后期更为显著.     

微波干燥和焙烧球团矿

使用１４００／８５０Ｗ的策波炉，在实验室研究了微波加热磁铁矿球团时球团矿的温度变化规律，干燥特点，生球强度和焙烧后球团的岩相特征，并对固结机理进行了探讨，结果表明，和普通干燥焙烧方法相比，微波法干燥焙烧球团矿温度上迅速且内部温度分布均匀；干燥速度很快，干燥过程中不出现裂纹和爆裂现象；焙烧后的磁性球团矿主要由连晶充分的Ｆｅ２Ｏ３组成；每个成品球的强度为１７０－２３０ｋｇ；焙烧时不会出现过热。     

微波多模腔金属边界移动对加热的影响研究

微波加热作为一种新型、高效的加热方法,在化学催化及材料处理等方面有着巨大的优势,但是微波加热的非均匀性限制了其在化工等行业中的大规模应用.本文设计了一种可移动金属壁的微波加热多模腔.在加热过程中,通过单向移动微波多模腔的金属壁,实现腔体内电场分布的不断改变,从而达到提高加热均匀性的目的.在仿真计算中,通过使用移动网格方法实现了整个加热过程的模拟计算.通过与离散位置的电场值和端口反射系数比较,验证了计算方法的准确性.通过比较被加热物质的温度变异系数(COV),可以看出移动金属壁的微波多模腔的加热均匀性相对于固定尺寸的多模腔的提高了近18%~38%.同时,本文分析了不同金属壁移动方式对加热效果的影响,提出可根据材料的属性和要求,计算选择理想的金属壁移动方式,获得更优的处理结果.     

液态物质的微波峰值吸收频率

利用微波辅助萃取中草药有效成分是一种新的高效萃取方法,微波加热是其重要的物理机制之一．微波加热具有选择性,当外加微波频率与物质的特定吸收频率相等时,物质对微波产生最强烈的吸收,此频率称为该物质的微波峰值吸收频率．峰值吸收频率决定于物质的结构,在微波辅助萃取中使用微波峰值吸收频率可以极大地提高有效成分的萃取率．将动态氢键引入分子的激活能;基于液体胞腔理论模型建立了液态极性分子问相互作用能的表达式;利用Eyring黏度公式求解了分子的转动弛豫时间;利用介电损耗系数与弛豫时间的关系,建立了液态物质的微波峰值吸收频率与物质分子间结构、分子转动惯量和电偶极矩等参数间的关系式．将得出的理论关系式应用于水和苯的计算,理论计算值较好地符合实验测量值,有利于深化微波与物质作用的理论研究,对微波辅助萃取实验也有一定的指导意义．     

沥青路面现场热再生微波加热深度模型的研究

为对沥青路面现场热再生微波加热深度进行研究,本文建立了微波辐射方向沥青混凝土的非稳态热传导模型,并对其求解;对不同频率下和不同介电属性的微波加热深度进行了分析;分别在常物性和介电属性温变的情况下,对不同频率微波加热沥青混凝土的热传导模型进行了数值模拟。