微波化学动力学

微波促进化学反应具有加热速度快、效率高、选择性加热等优势,对于节能减排具有重要的意义,但在工程应用过程中存在微波功率反射大、加热不均匀和热失控等问题,限制了微波能的进一步应用。为了解决以上问题,设计出高效的微波化学反应器,必须在宏观上深入研究微波促进化学反应的动力学过程,将电磁场方程、热传导方程和反应动力学方程等多个微分方程相互耦合。然而,现有研究一直缺乏以上方程之间的严格耦合关系。因此,本文介绍了化学反应的极化及微波在化学反应中的耗散,建立了微波促进化学反应过程的宏观动力学耦合模型。首先,梳理了微波化学的宏观动力学耦合模型,并对该模型存在的挑战进行了总结,即现有模型缺乏微波在化学反应中的极化过程及耗散过程。其次,针对微波在化学反应中极化过程的挑战,引入了新的介电特性表征,结果表明,反应体系的介电特性由反应物浓度和生成物浓度的概率分布函数对应的1阶勒让德多项式展开式的系数决定。然后,针对微波在化学反应中耗散过程的挑战,根据能量守恒,引入了新的耗散功率公式,结果表明,微波在反应体系中的耗散由微波在反应物中的耗散、在生成物中的耗散及生成物和反应物耦合产生的耗散等部分组成。最后,通过实例,阐述了微波促进化学反应的宏观动力学应用,以推动微波化学工程化的进一步发展。

电磁脉冲加热Debye媒质的数值计算

对电磁脉冲加热Debye媒质进行了数值计算。从麦克斯韦方程组和Debye方程出发,我们修正了Debye媒质中的瞬态耗散功率的公式。该公式能有效避免传统定义中可能出现的瞬态耗散功率为负的情况。通过时间尺度变换,长的加热过程可以得到极大地压缩。在以前工作中,一般只能计算数十个脉冲周期,而通过该算法,则可以处理上亿个脉冲周期。另外,我们研究了长时间脉冲加热的效率和均匀性。结果表明,在同样的重复频率下,脉冲加热的效率与均匀性均低于连续微波。

电磁脉冲加热Debye媒质的快速计算

本文提出了一种计算电磁脉冲加热Debye媒质的快速算法。从麦克斯韦方程组和Debye方程出发,重新定义了Debye媒质中的瞬态耗散功率。该定义能有效避免传统定义中瞬态耗散功率为负的情况。通过时间尺度变换,把电磁场的计算和热场的计算统一到同一时间尺度下,这样就可以节省大量的计算时间。另外,研究了长时间脉冲加热的效率和均匀性。结果表明,在同样的重复频率下,脉冲加热的效率与均匀性均低于连续微波。

基于多尺度变换的电磁感应加热快速算法

为了解决电磁感应加热仿真中因目标体积太大或者太小、时间长而难以仿真的问题,介绍了一种对空间和时间进行多尺度变换的快速计算方法。通过有限元方法仿真计算和对比验证,尺度变换后所得结果与变换之前吻合良好,能够减少大物体建模仿真的运算数据量。当时间尺度分别缩小10倍和100倍时,计算所需的时间分别减少了81.7%和91.8%。

基于动态矩阵控制算法的微波加热温度控制

微波加热具有加热速度快、均匀性好以及体加热等优点,已广泛应用于食品、材料、化工以及医药等领域。在实际应用中,一般采用比例-积分-微分控制(Proportional Integral Derivative control,PID)算法来控制加热过程的温度,以达到较好的加热效果。然而,基于PID算法的微波加热温控系统存在控制速度较慢、超调量较高以及稳态误差较大的问题。为此,本文提出了采用动态矩阵控制(Dynamic Matrix Control,DMC)算法,实现对微波加热过程的快速稳定控制。本文首先介绍了DMC算法的基本原理。然后以土豆为例,搭建了基于固态源的微波加热系统,并测量了系统的模型参数,讨论了优化时域、校正系数、控制系数和控制时域等参数对控制系统性能的影响。最后与PID控制算法的实际控制结果进行了比较。结果表明,与PID算法相比,本文提出的基于DMC算法的微波加热的温度控制,其超调量减小了69.8%,上升时间减小了22.2%,调整时间减小了64.9%,最大稳态误差减小了22.9%。

Transformation optics for efficient calculation of transmembrane voltage induced on cells

We present a novel efficient approach in calculating induced transmembrane voltage（ITV） on cells based on transformation optics. As cell membrane is much thinner than the dimension of a typical cell, discretizing the membrane needs numerous meshes. Using an anisotropic medium based on transformation optics, the thickness of the membrane can be exaggerated by at least one order, which eliminates rigorous mesh refinement and reduces unknowns greatly. The accuracy and efficiency of the proposed method are verified by a cylindrical cell model. Moreover, the influence on ITV with bound water（BW） layers is also studied. The results show that when cells are exposed to nanosecond electric field, BW layers should be rigorously considered in calculating ITV.

基于变换光学的微波加热用超表面数值研究

由于单个微波源的功率值有限,工业上往往采用多源微波加热以满足大功率需求。然而,额外的微波馈口将增加端口间耦合,可能引起微波源损坏。因此,提出一种基于变换光学的新型超表面,使微波在进入加热腔体的方向上正常传播而在相反方向被阻挡,从而减少功率反射和耦合。在二维数值模型中,采用反向传播神经网络优化了超表面的介电性能,使得单源和双源微波加热的能量效率分别提高了42.2%和53.3%,且均具有较好的加热均匀性。数值计算结果表明,超表面可工作在2.45 GHz频率,具有60 MHz的带宽,工业应用前景良好。