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“蓝田”微波化学反应器数值模拟与实验

何翔  
【摘要】:微波化学是研究微波在化学中应用的一门新兴的前沿交叉学科,而微波化学反应器作为微波发生和作用的器件,则是整个微波化学反应系统中的关键部位,掌握反应器内部的电磁场分布情况和被加热物质内部的温度分布情况就可以很好的指导微波化学反应器的设计与改造,可以控制微波化学反应的速度,改善其内部电磁场分布,使之形成较均匀的电磁场分布和温度分布,防止由于物质的局部过热而导致废品率的升高,由此可以提高化工产品的成品率与转化率。但在实际的应用中,对于谐振腔内部的电磁场分布和温度分布的测量是比较困难的,需要将多个感应探头放置于反应场中进行感应测量,而感应器本身的介入对电磁场分布和温度分布就产生了改变,并且宏观的感应器是不可能测试出微观中存在的局部点的过热现象。因此,寻找一种快捷、高效、准确的反映微波化学反应器内部电磁场分布和温度分布情况的方法就成为了化工界面临的一个重要的问题。 随着计算机运算速度的飞跃提升和各种数值计算方法的不断改进与完善,用计算机来数值模拟复杂环境下的电磁场分布和温度分布就成为了可能。本文就是采用时域有限差分方法(FDTD:Finite-Difference Time-Domain)求解Maxwell方程与热传导方程(Fourier方程)的耦合来计算微波化学反应器内部的电磁场分布和温度分布。为了实现Maxwell方程与热传导方程二者的耦合求解,在空间上,使求解Maxwell方程而划分的Yee氏网格与求解热传导方程而划分的有限容积网格在体积和界面上重合,从而实现空间步长上的耦合;在时间上,


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