叶君永[1]2006年在《微波加热化学反应中多物理场的数值计算与实验》文中提出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
林振, 黄卡玛[2]2004年在《FDTD结合蛙跳技术计算微波辐射下化学溶液温度》文中认为在微波化学研究中 ,对反应溶液温度变化的模拟和控制具有十分重要的意义。利用模拟微波在TEMcell中与试管内的化学反应溶液相互作用 ,以有限时域差分 (FDTD)法为基础 ,结合蛙跳技术 ,计算了微波化学反应过程中的温度分布及变化情况。有效缩短了模拟计算时间 ,数值计算结果与实验测量数据得到很好的吻合。
林振[3]2004年在《利用蛙跳技术计算微波化学中的温度变化》文中指出在研究微波加热化学反应过程中，由于反应溶液内部各点电磁场分布的不均匀，使加热过程中局部温度高低难于控制，直接影响化学反应的进行。因此，快速准确地模拟反应溶液内部的温度分布及变化，对有效控制化学反应的进行，具有十分重要的意义。 时域有限差分法(FDTD)在时域计算的优势，使它在工程电磁学各个领域备受重视。但是直接利用FDTD法模拟历时几分钟甚至更长时间的化学反应过程，由于所加微波的振荡速率远大于化学反应变化的速率，在满足稳定条件下，模拟需要很大计算量和计算时间。传统的加入α时间压缩因子的处理方法，使模拟计算的时间大为缩短，但同时使计算的准确性随α的取值大小而变化。 本文探求了一种基于FDTD法的新的蛙跳(leapfrog)技术，模拟计算TEM cell内部，微波与试管中的化学反应溶液相互作用的过程。即把反应时间分成n等分，在每段时区内，溶液参数包括温度、介电常数和电导率设为常数，简化了计算模型。计算时，利用当前空间各点的电导率和介电常数，在每个时间段内，运用FDTD法，计算几个周期的电磁场，至空间各点电场的峰值不再变化为止。在保证温度模拟值准确的条件下，大大减少了计算量，缩短了计算时间。 本文以在TEM cell系统中的微波加热乙酸乙酯皂化反应实验为例，用计算机构造了反应模型，利用FDTD法求解麦克斯韦方程组，热传导方程以及化学反应方程。对微波在TEM cell中加热该反应的过程进行了数值模拟，计算了反应溶液中的温度分布及变化。数值计算结果与实验测量数据吻合较好。
杨晓庆[4]2006年在《微波与化学反应体系相互作用过程中的特殊效应研究》文中指出微波作为一种高效的加热方法已经在化工各个领域内广泛应用，但是微波和化学反应的相互作用机理还没有真正被认识，这严重制约了微波在化学工业上的进一步应用，同时，微波与化学反应相互作用过程中产生的特殊效应也成为人们关注的焦点问题。化学反应体系作为一个非平衡态体系，它不是各种化合物的简单混合。本文就微波与化学反应体系的相互作用过程中产生的一些特殊效应从实验到理论进行了深入研究与探讨，这些工作将对进一步理解微波同化学反应的相互作用机理、研究特殊效应和相关应用提供帮助。 论文的主要内容与创新点如下： (1)在工业频率2.45GHz时，对室温下各类常用有机试剂的介电特性进行了测量，并对结果进行了分析，这些测试和分析结果将为微波辅助有机合成提供有益参考。 (2)提出了一个新的经验公式，首次引入了描述不同离子对水的复介电系数的影响的复影响因子的概念，用来计算微波频率下电解质水溶液的复等效介电系数。改变了原先电解质溶液介电系数计算模型大部分是针对静止频率下进行的不足，同时克服了利用Debye模型计算方法复杂和使用范围受限的缺点。 (3)对二苯乙烷生成反应中的反应溶液的介电特性随时间的变化规律进行了测量计算。讨论了催化剂对微波加热的作用，并提出了微波加快该反应过程的功率控制方式。这些将对微波辅助有机合成提供一定帮助。 (4)化学反应系统是一个非平衡系统，它不是各种化合物的简单混合。到
张文聪, 黄卡玛[5]2014年在《考虑磁控管不稳定性的微波徳拜介质加热》文中认为实际工作中的磁控管输出微波的功率,相位和频率均是不稳定的.本文采用有限元(FEM)计算方法,结合蛙跳技术首次模拟了考虑磁控管不稳定性时微波对矩形谐振腔中徳拜介质的加热.结果表明,磁控管的不稳定性会严重影响到微波对矩形谐振腔体中徳拜介质的加热,尤其是被加热的介质物理尺寸较小的时候这种影响更为明显.磁控管的不稳定性还会影响到微波加热的可重复性,因此在设计微波化学反应器,计算以磁控管作为微波源的微波加热时必须要考虑磁控管的不稳定性.本文建议在研究微波化学反应机理时采用稳定性更好的固态源.
叶君永, 黄卡玛[6]2004年在《随机相位和随机频率微波加热效应的数值模拟》文中认为利用时域有限差分法(FDTD)并结合蛙跳技术,通过联合求解Maxwell方程组和热传导方程,模拟了水的微波加热过程,计算了烧杯中的水的温度分布;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作用下水的吸热和温升。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。
叶君永, 杨晓庆[7]2006年在《等效介电系数经验公式在微波加热计算中的应用》文中提出微波加热化学反应所产生的部分特殊现象至今仍没有得到合理解释,非热效应成为一个悬而未决的热点问题.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.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.本文利用黄卡玛等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、Maxwell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.为微波加热化学反应的数值模拟提供了一种有效的新方法,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.
张一明[8]2014年在《微波加热水溶液及化学反应的分子动力学模拟研究》文中研究说明微波具有高效、高渗透性、选择性加热等特点并已广泛运用于化工、石油、环境治理等众多领域。但是,人们对微波与化学反应体系的相互作用机理和相关基础问题的认识和理解尚不深入,其相互作用过程中产生的特殊效应如非热效应、热点、热失控等现象也一直是人们关注的焦点和理解的难点,这导致微波能技术在工业应用中的瓶颈。本文就微波与水溶液、微波与化学反应体系相互作用过程中产生的一些特殊效应,从分子动力学模拟到理论分析进行深入探讨,这些研究对进一步理解微波与化学反应相互作用的机理、探讨其特殊效应及进一步的工程应用提供科学依据。本论文主要研究内容和创新点如下:(1)本文研究了频率为20 GHz微波加热氯化钠水溶液的过程。发现分子动力学模拟下微波加热氯化钠溶液的温度与微波的电场强度、溶液浓度存在一定的内在联系,并在此基础上通过数据拟合得到分子动力学模拟时间量程内,频率为20 GHz的微波加热氯化钠溶液的经验性温升公式。这有助于探究微波加热溶液及化学反应的温升机理并提供一定的实验支持和理论参考。(2)在对微波加热裂解甲苯和非交联环氧树脂的ReaxFF反应分子动力学模拟过程中观察到热失控现象。经过分析,出现这种温升突变现象的原因是整个体系内极性基团数量的突然增多导致体系对微波能的吸收能力突然增强,使体系的温升速率迅速升高,从而产生温度突变。(3)观察到微波作用于物质时的非热效应,并进一步基于碰撞理论和熵效应分析该现象。在研究微波加热NaCl溶液的过程中,发现微波能并没有如传统理论认为那样会被全部转化为系统的动能,而是有一部分转变为系统的势能,该结果有助于从分子层面揭示和理解非热效应。而相比于传统加热,微波加热下的甲苯裂解以及环氧树脂高温分解过程中部分产物的生成速率会降低。通过分析模拟结果并结合反应动力学研究,确定这种反应速率降低的现象属微波的非热效应。同时,本文对微波加热至高温后,部分极性分子电偶极矩的旋转特性进行了统计和分析。结果表明反应体系中的小尺寸极性基团如水、甲醇等的旋转特性依然能够与外电场的时变性保持一致。而对于大尺寸的极性基团(≥C7),其旋转特性相比于外加电场有一定的滞后效应,即相位延迟。(4)本文基于ReaxFF分子动力学方法对葡萄糖水溶液在超临界环境中气化的工程应用进行了探讨。相关文献表明,微波加热纯水至超临界状态后温升速率会降低,因此,理论上不会出现热失控现象。本文研究结果表明,在微波高温气化葡萄糖水溶液过程中,没有出现热失控现象,微波场也未对气化后最终产物的组分和产量有明显影响,这与预期相符。因此,本文认为微波应用于葡萄糖超临界气化是可行的。总体而言,从国内外的研究现状及公开报道来看,本文首次基于分子动力学模拟探讨微波作用下的若干化学反应体系,并揭示和解释了其中一些特殊现象如热失控、非热效应等的作用机理和规律,这在一定程度上突破了其发展和应用中面临的某些技术瓶颈。这些成果在微波加快化学反应以及微波能在化学工业中的大规模潜在应用方面具有重要的指导意义和参考价值,同时也为国家节能环保的重大社会需求进一步提供技术支持。
杨晓庆, 黄卡玛[9]2006年在《微波与化学反应相互作用中的关键问题讨论》文中提出微波作为一种高效的加热方法已经在化工各个领域内广泛应用,但是微波和化学反应的相互作用机理还没有真正被认识,这严重制约了高功率微波在化学工业上的进一步应用。从微波与化学反应相互作用的几个关键问题:化学反应的复等效介电系数,微波加热化学反应的数值模拟以及微波非热效应等方面进行了研究和讨论。这些工作将对相关机理研究提供帮助,并有助于从根本上解决目前微波化工应用中亟待解决的难题。
叶君永, 杨晓庆[10]2005年在《微波加热化学反应的数值仿真》文中进行了进一步梳理为了解释微波化学中的特殊效应,对微波加热过程中的数值模拟很有必要。本文利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、Maxwell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。
参考文献：
[1]. 微波加热化学反应中多物理场的数值计算与实验[D]. 叶君永. 四川大学. 2006
[2]. FDTD结合蛙跳技术计算微波辐射下化学溶液温度[J]. 林振, 黄卡玛. 电波科学学报. 2004
[3]. 利用蛙跳技术计算微波化学中的温度变化[D]. 林振. 四川大学. 2004
[4]. 微波与化学反应体系相互作用过程中的特殊效应研究[D]. 杨晓庆. 四川大学. 2006
[5]. 考虑磁控管不稳定性的微波徳拜介质加热[J]. 张文聪, 黄卡玛. 四川大学学报(自然科学版). 2014
[6]. 随机相位和随机频率微波加热效应的数值模拟[J]. 叶君永, 黄卡玛. 强激光与粒子束. 2004
[7]. 等效介电系数经验公式在微波加热计算中的应用[J]. 叶君永, 杨晓庆. 化工学报. 2006
[8]. 微波加热水溶液及化学反应的分子动力学模拟研究[D]. 张一明. 电子科技大学. 2014
[9]. 微波与化学反应相互作用中的关键问题讨论[J]. 杨晓庆, 黄卡玛. 电波科学学报. 2006
[10]. 微波加热化学反应的数值仿真[C]. 叶君永, 杨晓庆. 第十二届全国微波能应用学术会议论文集. 2005
标签：化学论文; 微波加热论文; 微波辐射论文; 科学论文; 时间计算论文; 特殊过程论文; 化学反应论文; 科普论文;